半導體原材料經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：

第一階段是以硅(Si)和鍺(Ge)為代表的第一代半導體材料

第二階段以砷化鎵等化合物為代表磷化銦(磷化銦)

第三階段是基于寬帶半導體材料，如氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)、硒化鋅(ZnSe)

半導體材料與器件的發(fā)展史

材料領域中，第一代、第二代、第三代沒有“一代更比一代好”的說法。氮化鎵、碳化硅等材料在國外一般稱為寬禁帶半導體。 將氮化鎵、氮化鋁、氮化銦及其混晶材料制成氮化物半導體，或?qū)⒌?、砷化鎵、磷化銦制成Ⅲ—Ⅴ族半導體。我國使用的“第三代半導體材料”一詞，對應的是人類歷史上大規(guī)模應用半導體材料所帶來的三次產(chǎn)業(yè)革命。目前，第三代半導體發(fā)展迅速，第一、第二代半導體在工業(yè)中仍得到廣泛應用，在第三代半導體中發(fā)揮著不可替代的作用。

那么第三代半導體與第一代、第二代相比有哪些進步呢?這三代半導體在技術上有什么不同?為什么在第三代半導體中要選擇GaN和SiC?

第三代半導體

第一代半導體材料

崛起時間：

20世紀50年代

代表性材料：

硅(Si)、鍺(Ge)半導體材料

歷史意義：

第一代半導體材料引發(fā)了以集成電路(IC)為核心的微電子領域的飛速發(fā)展

由于硅材料的窄禁帶、低電子遷移率和擊穿電場，使其在光電子學和高頻大功率器件領域的應用受到許多限制。但第一代半導體具有較高的技術成熟度和成本優(yōu)勢，在電子信息、新能源、硅光伏等行業(yè)領域仍有廣泛應用。

第二代半導體材料

崛起時間：

20世紀90年代以來，隨著移動通信的快速發(fā)展，以光纖通信和互聯(lián)網(wǎng)為基礎的信息高速公路的興起，以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導體材料開始涌現(xiàn)。。

代表性材料：

第二代半導體材料為化合物半導體。如砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)。砷化鎵鋁。也有一些固溶體半導體，如Ge—Si、Ga As—GaP。玻璃半導體(又稱非晶半導體)，如非晶硅、玻璃狀氧化物半導體。有機半導體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。

性能特點：

以砷化鎵為例。與第一代半導體相比，砷化鎵具有高頻、耐輻射、耐高溫等特點，因此被廣泛應用于主流商用無線通信、光通信，以及國防軍事等領域。

歷史意義：

第二代半導體材料主要用于制作高速、高頻、大功率和發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件和發(fā)光器件的優(yōu)良材料。由于信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，還廣泛應用于衛(wèi)星通信、移動通信、光通信和GPS導航等領域。例如，與第一代半導體相比，砷化鎵(GaAs)可用于光電子領域，特別是在紅外激光器和高亮度紅光二極管中。

進入21世紀以來，智能手機、新能源汽車、機器人等新興電子技術迅猛發(fā)展。與此同時，全球能源和環(huán)境危機也日益突出。材料的性能限制已不能滿足科學技術的需要，這就呼喚新材料的出現(xiàn)來代替。

第三代半導體材料。

起源時間：

美國早在1993年就已經(jīng)研制出第一個氮化鎵材料和器件，而我國最早的研究團隊中國科學院半導體研究所也于1995年開始這方面的研究，并于2000年Make HEMT結構材料。

代表性材料：

第三代半導體材料主要是寬禁帶(例如>2.3eV)以碳化硅(SiC)為代表的半導體，氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石和氮化鋁(AlN)。材料。

發(fā)展現(xiàn)狀：

在5G通信、新能源汽車、光伏逆變器等應用需求明確的推動下，應用領域的龍頭企業(yè)紛紛開始使用第三代半導體技術，這進一步提振了行業(yè)信心，堅定了投資第三代半導體技術路線的決心。

性能分析：

與第一代和第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度(>2.2eV)。更高的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和率和更高的耐輻射性，更適合制作耐高溫、高頻、大功率和耐輻射器件，并可廣泛應用于高壓、高頻、高溫和高可靠性領域，包括射頻通信、雷達、衛(wèi)星、電源管理、汽車電子、工業(yè)電力電子等。

半導體材料主要性能參數(shù)比較

第三代半導體

半導體主要材料及應用

在第三代半導體中，與GaN相比，SiC的開發(fā)早于GaN，其技術成熟度也更高。兩者之間的一個很大的區(qū)別是導熱性，這使得SiC在高功率應用中占據(jù)了至高無上的地位。同時，由于GaN具有更高的電子遷移率，它可以比SiC或Si具有更高的開關速度。在高頻應用中，GaN具有優(yōu)勢。

從下表中常用的“品質(zhì)因數(shù)(FOM)”可以清楚地看到，SiC和GaN與前兩代半導體材料相比，在功能和特性上都有了很大的提升。

GaN和SiC在材料性能方面各有優(yōu)缺點，因此在應用領域上各有側重，又有互補性。例如，GaN的高頻Baliga值明顯高于SiC，因此GaN的優(yōu)點是在高頻、小功率、集中在1000 V以下的領域，如通信基站、毫米波等。SiC的Keye優(yōu)值明顯高于GaN，所以SiC的優(yōu)勢在1200V以上的高溫大功率領域，包括電力、高鐵、電動汽車、工業(yè)電機等。在中低頻率和中低功率領域，GaN和SiC都可以應用，與傳統(tǒng)的硅基器件競爭。

第三代半導體---碳化硅(SIC)

SiC從20世紀70年代開始發(fā)展。2001年SiCSBD商用，2010年SiCMOSFET商用。SiCIGBT仍在開發(fā)中。SiC可以大幅度降低功率轉換中的開關損耗，因此具有更好的能量轉換效率，更容易實現(xiàn)模塊的小型化，也更耐高溫。

碳化硅功率器件的主要應用領域：智能電網(wǎng)、交通運輸、新能源汽車、光伏、風力發(fā)電。新能源汽車是SiC功率器件市場的關鍵增長動力。目前，SiC器件主要應用于新能源汽車的動力控制單元(PCU)。最高同時在線控制單元，逆變器，直流—直流轉換器，車載充電器等。

2017年，全球碳化硅電力半導體市場總額達3.99億美元。。預計到2023年，SiC功率半導體的總市場規(guī)模將達到16.44億美元。

第三代寬禁帶半導體材料可廣泛應用于各個領域，如消費電子、照明、新能源汽車、導彈、衛(wèi)星等，具有許多可突破第一、二代半導體材料發(fā)展瓶頸的優(yōu)異性能。因此受到市場的青睞同時隨著技術的發(fā)展有望完全取代第一代和第二代半導體材料。

新的基礎設施為國內(nèi)半導體廠商提供了巨大的發(fā)展機遇：我國在第三半導體材料方面起步比較晚，其技術水平與國外相比也比較低。這是一個彎道超車的機會，但還有很多困難和挑戰(zhàn)需要我們?nèi)ッ鎸Α?/p>

Keep Tops以GaN 核心射頻半導體支持5G基站和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設。以碳化硅和IGBT為核心的功率半導體，支撐新能源汽車、充電樁、基站/數(shù)據(jù)中心電源、特高壓和軌道交通系統(tǒng)建設。以人工智能芯片為核心的SOC芯片支持數(shù)據(jù)中心和人工智能系統(tǒng)的建設。

不難看出，領先的氮化鎵和碳化硅第三代半導體是支持“新基礎設施”的核心材料。Keep Tops在“新基礎設施”和國產(chǎn)替代的支持下，國內(nèi)半導體廠商將迎來巨大的發(fā)展機遇。

審核編輯：湯梓紅