资讯热线：第三代半导体未来将成为主流
半导体是一种导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，会根据其化学状态或外部条件而表现为导体或绝缘体，利用这种特性，可以制成功能多种多样的元器件。现有的绝大部分电子元器件都离不开半导体，可以说半导体行业是现代电子信息社会高速发展的重要支撑。
随着科学技术的不断发展，半导体行业也已经发展到第三代，从最早的Si、Ge为代表的的第一代半导体逐渐发展到以SiC、GaN等为代表的的第三代半导体，无论是从功能还是性能来说都有了很大的变化。为了让大家能够更好的了解第三代半导体，今天小编就通过物理性能、制备成本和竞争力三个方面来分析一下第三代半导体的优势。
什么是第三代半导体？
第三代半导体一般指禁带宽度大于2.2eV的半导体材料，也称为宽禁带半导体材料。半导体产业发展至今经历了三个阶段：第一代半导体材料以硅（Si）为代表；第二代半导体材料砷化镓（GaAs）也已经广泛应用；而以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、氧化铝（AlO）、金刚石等禁带为代表的则是系三代半导体。
第三代半导体材料具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐射能力等优异性能，是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”，正在成为全球半导体产业新的战略高地。其中最具代表性的则是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，本文主要论述的也是这两种半导体材料。
第三代半导体在物理性能上有什么优势？
SiC材料相比于Si材料有着显著的优势。目前车规级半导体主要采用硅基材料，但受自身性能极限限制，硅基元器件的功率密度难以进一步提高，硅基材料在高开关频率及高压下损耗大幅度提升。而与硅基半导体材料相比，以碳化硅为代表的第三代半导体材料具有以下优势：
（1）能量损耗低。SiC模块的开关损耗和导通损耗显著低于筒灯IGBT模块，并且随着开关频率的提高，与IGBT模块的损耗差距越大。所以SiC模块在降低损耗的同时，可以实现高速开关，有助于降低电池用量，提高续航里程，解决新能源汽车痛点。
（2）更小的封装尺寸。SiC器件具备更小的能量损耗，能够提供较高的电流密度。在相同功率等级下，碳化硅功率模块的体积显著小于硅基模块，有助于提升系统的功率密度。
（3）耐高温、散热能力强。SiC的禁带宽度、热导率约是Si的3倍，可承受温度更高，高热导率也将带来功率密度的提升和热量的更易释放，冷却部件可小型化，有利于系统的小型化和轻量化。
（4）实现高频开关。SiC材料的电子饱和漂移速率是Si的2倍，有助于提升器件的工作频率；高临界击穿电场的特性使其能够将MOSFET带入高压领域，克服IGBT在开关过程中的拖尾电流问题，降低开关损耗和整车损耗，减少无源器件如电容、电感等的使用，从而减少系统体积和重量。
GaN 作为第三代半导体具有宽带隙（3.4 eV）、击穿场强大（3.3 MW / cm）、电子饱和漂移速度高（2.7 * 107cm / s）等物理结构优势。GaN相较前两代半导体材料具有更大的禁带宽度和击穿电压，同时化学稳定性高，能够耐高温，耐腐蚀，因此在光电器件以及高频高功率电子器件应用上具有广阔的前景。
在以往的半导体材料中，Si是目前集成电路及半导体器件的主要材料，但其带隙窄，击穿电压低，在高频高功率器件的应用上效果不佳。以GaAs代表的第二代半导体材料由于电子迁移速率高，抗辐射等优点在微波通信领域有着重要的应用价值，是目前通信用半导体材料的基础。然而，GaAs的带隙和击穿电压仍难以满足高频高功率器件的要求。
第三代半导体的制备成本会高很多吗？
SiC晶体的制备方法主要有液相生长法和物理气相传输法两种方法，其中液相生长法主要集中在日本的高校和科研院所，而大规模产业化主要采用的是物理气相传输法（PVT法），所以SiC的制备技术门槛都比较高。
GaN单晶材料的生长方式主要分为气相外延与液相外延两种方式，其中气相外延技术（HVPE）由于生长速率高，能够得到大尺寸晶体的优点，是目前制备GaN单晶衬底的主流生长技术。
目前来说，第三代半导体还处在发展阶段，相较于第一代半导体和第二代半导体，第三代半导体制备成本都相对较高。虽然生产难度大，生产成本高，但随着量产技术趋于稳定以及各大企业加入竞争，第三代半导体的价格呈现快速下降的趋势，与第一第二代半导体之间的价格差正在快速缩小。未来随着全球半导体厂商的加速研发及量产技术改良，产线的良品率与晶圆利用率逐步提高，第三代半导体的成本将会继续降低。
第三代半导体在哪些领域有竞争力？
第一是新能源汽车等带动第三代半导体在大功率电力电子器件起量。快充装置、输变电系统、轨道交通、电动汽车和充电桩等都需要大功率、高效率的电力电子器件。无疑宽禁带半导体，尤其是碳化硅、氮化镓具有比其他半导体材料更为明显的优势。
第二是AloT时代驱动的光电器件大发展。在AloT时代，智慧化产品渗透率更加迅速提升，智能家居照明市场将迎来机遇。第三代半导体尤其在短波长光电器件方面有很明显的优势。例如蓝光，现在所有的半导体照明都已经采用了氮化镓。在紫光、紫外光甚至在黄光、绿光等方面都可以直接用氮化物半导体作为材料。
第三是5G时代驱动GaN射频器件快速发展。相比于砷化镓和硅等半导体材料，在微波毫米波段的第三代半导体器件工作效率和输出功率明显更高，适合做射频功率器件。民用射频器件主要用在移动通信方面，包括现在的4G、5G和未来的6G通信。例如，国内新装的4G和5G移动通信的基站几乎全用氮化镓器件。尤其是5G基站采用MIMO收发体制，每个基站64路收发，耗电量是4G基站的3倍以上，而且基站的密集度还要高于4G基站，不用高效率的氮化镓器件几乎是不可能的。未来6G通信频率更高、基站数更多，GaN将更加突出。
当前能源技术革命已经从电力高端装备的发展，逐步向由材料革命的发展来带动和引领，第三代半导体有望成为绿色经济的中流砥柱。习近平总书记提出了“四个革命、一个合作”的能源安全战略，承诺中国在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。国家电网“碳达峰、碳中和”行动方案提出了“两个50%”的目标，2050年清洁能源占电能生产的比例将超过50%，电能在终端能源消费中的占比将超过50%。实现“碳达峰、碳中和”关键在于加快推进能源开发清洁替代和能源消费电能替代，实现能源生产清洁主导、能源使用电能主导，这一系列的举措都会推动第三代半导体的发展。
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