新材料江湖博弈之局，第三代半导体材料大势所趋

继第一代元素半导体材料(si)和第二代化合物半导体材料后，第三代禁带宽度半导体材料(SiC、GaN、C-BN、ZnSe等)已经在获得了众多半导体厂商的认可。

第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高及抗辐射能力强的等优点。其中，发光效率高、频率高等特点，在一些蓝、绿、紫光的发光二极管、半导体激光器等方面有着广泛的应用，且在跃迁时放出光子的能量高，因此会有较高的光发射效率，光子发射的频率也较高。第三代半导体材料目前最热门的是SiC和GaN。

首先来说说SiC

早在1893年诺贝尔奖获得者法国化学家亨利莫桑(Henri Moissan)在非洲发现了晶莹剔透的碳化硅(SiC)单晶碎片。由于SiC是硬度仅次于金刚石的超硬材料，SiC单晶和多晶材料作为磨料和刀具材料广泛应用于机械加工行业。作为半导体材料应用，相对于Si，SiC具有10倍的电场强度，高3倍的热导率，宽3倍禁带宽度，高一倍的饱和迁移速度。

从80年代开始以美国CREE公司为代表的国际企业就开始专注于半导体应用的SiC材料商用化的开发。2000年起英飞凌首先开发出600V SiC肖特基二极管(SBD)与其COOLMOS配套使用与通讯电源的PFC应用拉开了SiC电力电子器件市场化的幕布。随后CREE，ST，罗姆等企业也纷纷推出了SBD的全系列产品。

目前，4H-SiC特别适用于微电子领域，用于制备高频、高温、大功率器件;6H-SiC特别适用于光电子领域，实现全彩显示。随着SiC生产成本的降低，SiC半导体正逐步取代Si，为Si遇到的瓶颈所担忧的日子也将结束。

再谈谈GaN的发展

由于CREE在电力电子用碳化硅材料和器件的垄断地位迫使很多功率企业采取GaN技术路线作为下一代功率半导体器件的发展方向。为了降低成本，基本上采用Si衬底上生长GaN外延并采用成熟的CMOS兼容工艺制备器件。近年来GaN的单晶基体材料也有了突破进展，已经能够生长出2英寸外延。

目前，GaN在大部分高功率应用中站稳了脚跟，并且还抓住了基站、移动基础设施的部分市场。值得一提的是，随着5G的技术火热，GaN也受到了极大的关注。2016年，支持GaN材料的厂商有EPC、GaN系统、英飞凌、松下和Transphorm、德州仪器、恩智浦、Dialog、安森美等半导体大佬。

SiC和GaN电力电子器件由于本身的材料特性，各自都有各自的优点和不成熟处，因此在应用方面有区别 。一般的业界共识是：SiC适合高于1200V的高电压大功率应用;GaN器件更适合于40-1200V的高频应用。在600V和1200V器件应用领域，SiC和GaN形成竞争。

最后

硅作为半导体的主要材料在摩尔定律的规律下已经走过了50多年，寻找新的半导体材料替代硅已经成了近些年半导体发展的方向之一。

在整个功率器件的发展过程中，第一个可控硅在1970年问世。随着时间和技术的推移，功率密度要求逐渐提升，后面经历了晶体管向MOSFET的演变，到上世纪90年代末出现了IGBT。半导体技术的不断进步，不仅提高了产品性能，同时通过缩小芯片面积降低了成本。然而到2000年的时候业界就提出硅基产品已经快达到物理极限，进一步提高产品性能，工艺的复杂性带来的成本升高不能抵扣芯片面积的缩小，从而芯片成本提高。

未来如何突破Si材料的极限?目前来说，以氮化镓和碳化硅为代表的宽禁带半导体材料是大势所趋。