简述第三代半导体材料的发展概要

一、什么是第三代半导体

所谓第三代半导体材料是以SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)为代表(还包括ZnO氧化锌、GaO氧化镓、金刚石等)的化合物半导体。与第一代和第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射能力，更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。

二、不同半导体材料的发展历程

第一代半导体材料发明并使用于20世纪50年代，以硅（Si）、锗（Ge）为代表，特别是硅，构成了一切逻辑器件的基础，目前全球95%以上的半导体芯片和器件是用硅作为基础材料生产的，硅基器件很好的解决了电能的转换和控制。主要应用于制作集成电路的晶圆片和功率器件，如电脑的CPU、GPU、内存、手机的SoC等，主要用来解决数据运算和存储等问题；

第二代半导体材料发明并使用于20世纪80年代，主要是指化合物半导体材料，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为主要代表。4G时代大部分通信设备都是砷化镓的应用领域。不过由于资源稀缺、大尺寸制备困难、价格贵等原因，尤其是砷有毒性、污染环境，第二代半导体材料应用受到很大局限。主要应用于微波通信、光通信、卫星通信、光电器件、激光器和卫星导航等行业，主要解决数据传输的问题；

第三代半导体是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带（禁带宽度Eg>2.3eV）的半导体材料。其中又以SiC和GaN为最核心的材料。SiC拥有更高的热导率和更成熟的技术，而GaN具有直接跃迁、高电子迁移率和饱和电子速率、成本更低的优点则使其拥有更快的研发进度。两者的不同优势决定了应用范围上的差异，在光电领域，GaN占绝对的主导地位，而在其他功率器件领域SiC则更有优势。SiC材料适合制造高温、高压、大功率器件，而GaN材料则更适用于制造高频、中小功率器件。

三、不同半导体材料之间的主要区别

不同半导体材料之间的主要区别就在于禁带宽度。所谓的禁带宽度(Band gap)是指一个带隙宽度(单位是电子伏特(ev))。固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子或者空穴存在，自由电子存在的能带称为导带(能导电)，自由空穴存在的能带称为价带(也能导电)。被束缚的电子要成为自由电子或者空穴，就必须获得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。

现代物理学描述材料导电特性的主流理论是能带理论。能带理论认为晶体中电子的能级可划分为导带和价带，价带被电子填满且导带上无电子时，晶体不导电。当晶体受到外界能量激发(如高压)，电子被激发到导带，晶体导电，此时晶体被击穿，器件失效，禁带宽度代表了器件的耐高压能力。第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍，具有更强的耐高压、高功率能力。

第三代半导体材料制造的器件能量密度更高。以氮化镓为例，其形成的HEMT器件结构中，其能量密度约为5-8W/mm，远高于硅基MOS器件和砷化镓射频器件的0.5-1W/mm的能量密度，器件可承受更高的功率和电压，在承受相同的功率和电压时，器件体积可变得更小。

硅基因为结构简单，自然界储备量大，制备相对容易，技术比较成熟，被广泛应用于半导体的各个领域。但在高耐压、高功率、高频率的分立器件领域，硅基器件因其带隙窄，较低的热导率和较低的击穿电压限制了其在该领域的应用，因而发展出宽禁带、耐高压、高热导率、高频率的第三代半导体材料的器件。

第三代半导体材料主要有三个优势：

        一是速度更快，有助于提高芯片性能。

第三代半导体采用宽禁带材料，关断时候的漏电电流更小，导通时候的导通阻抗更小，且寄生电容远远小于硅工艺材料，所以芯片运行速度更快，功耗消耗更低，待机时间更长。第三代半导体可以用较大的工艺节点达到硅材料先进节点的部分性能。

二是能量转换效率高，功率损耗小。

以新能源汽车为例，相比用传统硅芯片（如IGBT）驱动的电动汽车，用第三代半导体材料芯片驱动的新能源汽车的能量耗损低5倍左右，由此大幅增加续航里程。从节能的角度考虑，一个大型数据中心机房一年的耗电相当于一个中等城市的用电量，如果采用第三代半导体芯片来控制电源，相比传统的硅芯片，将能省下大量电力。

三是可以承受更大的功率和更高的电压。

第三代半导体可大幅提高产品的功率密度，适应更高功率、更高电压、更大电流的未来电动车的需要。基于上述优点，新能源汽车、5G、人工智能及超大数据中心等新应用场景的打开，将给第三代半导体带来巨大的发展空间，催生上万亿元的潜在市场。更为重要的是，第三代半导体未来将在帮助人类普及新兴能源、发展清洁能源、实现碳中和这一目标中发挥重大作用。

由于氮化镓（GaN）是一种禁带宽度大（Eg值为3.4eV）、饱和击穿电场高、载流子迁移率高、且质地坚硬高熔点（熔点为1700℃）的化合物材料，从而使得氮化镓基器件具有开关速率高、电阻低、抗击穿能力强和耐高温等优势，这些特性使得氮化镓器件在电力电子领域特别是PD充电器行业大放异彩。使用GaN器件的充电器与传统的使用硅基器件的充电器比较，具有更小的体积，更快的运行速度，更高的效率以及更低的损耗，使其拥有更大的市场竞争力。

氮化镓的应用：

氮化镓通常用于微波射频、电力电子和光电子三大领域。具体而言，微波射频方向包含了5G通信、雷达预警、卫星通讯等应用；电力电子方向包括了智能电网、轨道交通、新能源汽车、PD快充、消费电子等应用；光电子方向包括了 LED、激光器、光电探测器等应用。

碳化硅产业链可分为三个环节：

碳化硅产业链可分为衬底材料的制备、外延层的生长和器件制造等三个环节。目前，碳化硅单晶衬底材料的制备通常采用物理气相传输法（PVT法），衬底上外延的生成使用化学气相沉积法（CVD法），然后再在外延上进行器件制造。

碳化硅衬底的划分：

半绝缘型碳化硅衬底：指电阻率高于105Ω.cm的碳化硅衬底，其主要用于制造氮化镓微波射频器件。微波射频器件是无线通讯领域的基础性零部件，我国大力发展的5G通讯技术推动了碳化硅衬底需求的进一步释放。

导电型碳化硅衬底：指电阻率在15~30mΩ.cm的碳化硅衬底。由导电型碳

化硅衬底生长出的碳化硅外延片可进一步制成功率器件，功率器件是电力电子变换装置的核心器件，广泛应用于新能源汽车、光伏、智能电网、轨道交通等领域。

1、射频器件：射频器件是在无线通信领域负责信号转换的部件，如功率放大器、射频开关、滤波器、低噪声放大器等。碳化硅基氮化镓射频器件同时具备碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势，能够满足5G通讯对高频性能和高功率处理能力的要求，逐步成为5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。

2、新能源汽车：电动汽车系统涉及功率半导体应用的组件有电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、车载DC/DC及非车载充电桩。其中电动车逆变器市场碳化硅功率器件应用最多，碳化硅模块的使用使得整车的能耗更低、尺寸更小、充电更快、续航里程更长。

3、光伏发电：目前，光伏逆变器龙头企业已采用碳化硅MOSFET功率器件替代硅器件。可进一步提高转换效率、明显降低能量损耗、大幅提升设备循环寿命，具备成本低、高效能的优势。

4、智能电网：国家大力发展新基建，特高压输电工程对碳化硅功率器件具有重大需求。它在智能电网中的主要应用场景包括：高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置。碳化硅器件突破了硅基功率半导体器件在大电压、高功率和高温度方面的限制所导致的系统局限性，并具有高频、高可靠性、高效率、低损耗等特有优势，在固态变压器、柔***流输电、柔性直流输电、高压直流输电及配电系统等应用方面推动智能电网的变革和发展。

5、轨道交通：轨道交通对其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机等装置的性能提出更好的要求,采用碳化硅功率器件可帮其实现提升。碳化硅功率器件可大幅提高这些电力电子装置的功率密度和工作效率,有利于减轻轨道交通的载重系统。

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