第三代半导体材料主要分类和应用

第三代半导体是半导体材料发展的重要分支，其核心特征和应用价值可概括如下：以‌碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)‌为核心，还包括氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)等宽禁带材料。部分研究将氧化镓(Ga₂O₃)和金刚石归类为第四代半导体，因其超宽带隙(4.2-4.9eV)特性。并非完全取代第一代(硅、锗)和第二代(砷化镓、磷化铟)半导体，而是针对‌高压、高频、高温等特殊场景的补充‌。

‌宽禁带宽度‌：更高的击穿电场强度，适合高压环境(如智能电网、新能源汽车)。高热导率与耐高温‌：可在200℃以上稳定工作，适用于航空航天、深空装备。‌高频性能‌：电子饱和漂移速率高，适合5G通信、射频器件。

‌新能源与电力电子‌：新能源汽车电机控制器、光伏逆变器(SiC器件可提升能效10%以上)。‌通信技术‌：5G基站射频前端(GaN器件支持更高频率)。国防与航天‌：抗辐射能力强的特性适用于卫星和雷达系统。

‌中国‌：LED照明领域全球领先，但电力电子和射频器件仍落后国际先进水平;深圳、大湾区聚焦下游应用，如重投天科碳化硅生产基地。‌欧美日‌：美国通过《芯片法案》支持SiC产能扩张;欧盟推进“LASTPOWER”项目;日本布局氧化镓等第四代材料。‌总结‌：第三代半导体通过材料创新填补了传统半导体的性能局限，是未来高功率、高频率技术的核心基础。

第三代是指半导体材料的变化，从第一代、第二代过渡到第三代。

第一代半导体材料是以硅(Si)和锗(Ge)为代表，目前大部分半导体是基于硅基的。

第二代半导体材料是以砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)为代表，是 4G 时代的大部分通信设备的材料。

第三代半导体材料以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、金刚石为四大代表，是5G时代的主要材料。

相较于第一、二代半导体，第三代半导体具有更高的禁带宽度、高击穿电压、电导率和热导率，在高温、高压、高功率和高频领域将替代前两代半导体材料。

换个说法，也就是第三代半导体具有耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能强、工作速度快、工作损耗低等性能优势。

从材料分类看， 第三代半导体材料主要有四类：

1)III族氮化物，典型代表GaN，在军事领域GaN 基微波功率器用于雷达、电子对抗、导弹和无线通信通;在民用商业领域用于基站、卫星通信、有线电视、手机充电器等小家电。

2)SiC，民用领域电动汽车、消费电子、新能源、轨道交通等领域的直流、交流输变电、温度检测控制等。军用领域用于喷气发动机、坦克发动机、舰艇发动机、风洞、航天器外壳的温度、压力测试等。

3)宽禁带氧化物，典型代表氧化锌 ZnO，用于压力传感器、记忆存储器、柔性电子器件，目前技术和应用不成熟，主要产品有发光二极管、激光、纳米发电机、纳米线晶体管、紫外探测器等。

4)金刚石，用于光电子、生物医学、航空航天、核能等领域的大功率红外激光器探测器，技术和应用还在开发中。

从应用领域看，第三代半导体主要有三个应用方向：

一是光电子领域，主要应用于激光显示、环境检测、紫外光源、半导体照明、可见光通信、医疗健康等;

二是电力电子领域，主要应用于工业机电、新能源并网、轨道交通、电动汽车、智能电网、消费电子等;

三是微波射频领域，主要是在遥感、雷达、卫星通讯、移动基站等。

为了更直观地理解，我们可以将自己想象成电子，而轨道则类似于地铁线路。这些线路在某些地方会发生交叠，并设立了换乘站点，使得我们能够在不同的线路间灵活转换。电子的共有化运动与此类似，它们能够通过这种转换机制在晶体中自由移动。

值得注意的是，在其他原子的作用下，能级会分裂成能带。当原子以周期性方式排列形成晶体时，每个能级都会分裂成许多彼此接近的能级，这些能级共同构成了能带。内层的电子由于其共有化运动较弱，所以能级分裂较小，能带相对较窄;而外壳层的电子由于其共有化运动显著，因此能级分裂较大，能带也相应地更宽。

在深入理解能带结构后，价带，是在0K条件下被电子填满的、能量最高的能带;而导带，则是0K时未被电子占据的、能量最低的能带。禁带，则位于导带底与价带顶之间，其宽度代表了导带与价带之间的能量差异。半导体与绝缘体之间的核心区别——禁带宽度。在第三代半导体的概念中，“宽禁带”特指那些具有较宽禁带宽度的半导体材料。

以跨栏运动为例，栏架高度适中，厚度较小，运动员能轻松跨过。但若将栏架替换为高至3米的砖墙，且厚度大幅增加，则运动员难以跨越。同样地，在半导体与绝缘体之间，也存在一个类似于“栏架与墙”的界限。半导体的禁带宽度适中，使得电子能够轻松跨越;而绝缘体的禁带则如同高墙，电子难以逾越。值得注意的是，禁带宽度并非固定不变，它受到温度、掺杂等因素的影响。

现在，我们进一步探讨半导体的特性与职责。一个理想的半导体应具备可选择性，即在外加电压时导通，无电压时关闭。然而，如果半导体始终保持导通状态或关闭状态，那么它就失去了半导体的基本特性。

接下来，我们讨论宽禁带半导体的优势。宽禁带半导体材料在电子设备中发挥着至关重要的作用。电子的定向移动形成电流，就像运动员跨过障碍物一样。宽禁带为电子提供了更多的能量，使其能够更高效地完成工作。因此，在选择半导体材料时，针对特定应用挑选合适的“禁带宽度”至关重要。

以金刚石为例，其禁带宽度高达5.5eV，远超出Ge(0.67eV)、Si(1.12eV)和GaAs(1.43ev)等常规材料。这一特性使得金刚石器件能够在700-1000度的高温环境下稳定工作，展现出卓越的抗辐射能力，同时显著提升了器件的雪崩击穿电压。此外，禁带宽度还与场效应管的沟道导通电阻紧密相关，禁带越宽，相应器件的导通电阻则越低。

金刚石不仅禁带宽度出众，其热导率也相当可观，使得由金刚石制成的器件散热性能上佳。同时，金刚石的介质击穿场强高达V/cm，这一特性进一步提升了器件的最高工作温度和功率容量。

另外，金刚石的介电常数相对较低，这一特点会直接影响器件的阻抗，进而有助于提高器件的工作频率。

在砷化镓元器件领域，欧美厂商占据主导地位。其中，Skyworks(思佳讯)以30.7%的市场份额位居榜首，Qorvo(科沃，由RFMD和TriQuint合并而成)和Avago(安华高，已被博通收购)分别以28%和未知份额紧随其后。值得注意的是，这三家领先企业均来自美国。这进一步印证了在砷化镓的三大关键产业链环节——晶圆制造、晶圆制造代工以及核心元器件——欧美、日本和台湾厂商目前仍占据主导地位。相较之下，中国企业在这些环节中的影响力尚待提升。然而，已有一些积极的迹象表明中国正在努力突破这一现状。例如，华为已经成功研发出手机射频关键部件PA，并转单给三安光电进行代工生产。

三、中国在第三代半导体材料领域的追赶与超越机会

第三代半导体材料，以氮化镓和碳化硅为代表，自本世纪初发明并实用化以来，各国研究水平相对接近。国内产业界和专家普遍认为，这一材料领域为我们摆脱集成电路(芯片)的被动局面、实现芯片技术的追赶与超越提供了宝贵机会。

借鉴汽车产业的发展模式，中国在新能源汽车的推动下，成功拉近了与美、欧、日等汽车强国的差距，并在某些领域实现了弯道超车。同样，三代半材料凭借其出色的性能和广泛的未来应用，为我们提供了实现技术赶超与超越的可能。