在剛剛結(jié)束的2020導(dǎo)熱粉體材料創(chuàng)新論壇上，5G可謂是炙手可熱備受關(guān)注，近幾年各頭部企業(yè)的大動(dòng)靜也紛紛展露了它們?cè)?/span>5G時(shí)代的布局與野心，而其中最熱門之一的便是處于核心的半導(dǎo)體材料了。

由于第三代半導(dǎo)體材料在制造高溫、高頻、抗輻射及大功率器件方面有優(yōu)勢(shì)，比如5G通訊、汽車IGBT芯片、物流網(wǎng)等微波通訊領(lǐng)域，所以業(yè)內(nèi)人士都認(rèn)為在5G時(shí)代、人工智能時(shí)代，第三代半導(dǎo)體材料將會(huì)迎來(lái)大發(fā)展。

什么是第三代半導(dǎo)體？

第一代半導(dǎo)體材料是以硅（Si）為代表，其典型應(yīng)用是集成電路，主要應(yīng)用于低壓、低頻、低功率晶體管和探測(cè)器中；

第二代半導(dǎo)體以砷化鎵（GaAs）為代表，砷化鎵材料的電子遷移率是硅的6倍，具有直接帶隙，故其器件相對(duì)硅器件具有高頻、高速的光電性能，這是為4G時(shí)代而生，公認(rèn)為是很合適的通信用半導(dǎo)體材料。但由于第二代半導(dǎo)體材料的禁帶寬度不夠大，擊穿電場(chǎng)較低，極大的限制了其在高溫、高頻和高功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用。GaAs材料的毒性可能引起環(huán)境污染問(wèn)題，對(duì)人類健康存在潛在的威脅。

第三代半導(dǎo)體則是以以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）等為代表，其禁帶寬度大，采用第三代半導(dǎo)體材料制備的半導(dǎo)體器件不僅能在更高的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，而且在高電壓、高頻率狀態(tài)下更為可靠，此外還能以較少的電能消耗，獲得更高的運(yùn)行能力。因此第三代半導(dǎo)體才是5G時(shí)代的標(biāo)配。

半導(dǎo)體材料在晶圓領(lǐng)域的應(yīng)用

晶圓(wafer)是制造半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)性原材料。極高純度的半導(dǎo)體經(jīng)過(guò)拉晶、切片等工序制備成為晶圓，晶圓經(jīng)過(guò)一系列半導(dǎo)體制造工藝形成極微小的電路結(jié)構(gòu)，再經(jīng)切割、封裝、測(cè)試成為芯片，廣泛應(yīng)用到各類電子設(shè)備當(dāng)中。晶圓材料經(jīng)歷了60余年的技術(shù)演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，形成了當(dāng)今以硅為主、新型半導(dǎo)體材料為補(bǔ)充的產(chǎn)業(yè)局面。

硅儲(chǔ)量極其豐富，提純與結(jié)晶工藝成熟，并且氧化形成的二氧化硅(SiO2）薄膜絕緣性能好，使得器件的穩(wěn)定性與可靠性大為提高，因而硅已經(jīng)成為應(yīng)用最廣的一種半導(dǎo)體材料。目前全球95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路采用硅作為襯底材料。

但是Si材料有其局限性，它的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻、高功率器件上的應(yīng)用，如其間接帶隙的特點(diǎn)決定了它不能獲得高的電光轉(zhuǎn)換效率。且其帶隙寬度較窄(1.12 eV)飽和電子遷移率較低(1450 cm2/V·s)，不利于研制高頻和高功率電子器件。。

第三代半導(dǎo)體材料因禁帶寬度（Eg）大于或等于2.3電子伏特(eV)，又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。和第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求，是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域最有前景的材料，在國(guó)防、航空、航天、石油勘探、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景，在寬帶通訊、太陽(yáng)能、汽車制造、半導(dǎo)體照明、智能電網(wǎng)等眾多戰(zhàn)略行業(yè)可以降低50%以上的能量損失，最高可以使裝備體積減小75%以上，對(duì)人類科技的發(fā)展具有里程碑的意義。

幾種常用半導(dǎo)體性能對(duì)比

第三代半導(dǎo)體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)均遠(yuǎn)高于Si，這意味著在相同耐壓級(jí)別條件下，Si襯底必須要做得比較厚，而且耐壓越高厚度就會(huì)越厚，導(dǎo)致材料成本更高，而且不利于電子器件的減薄。在柵極和漏極間有一個(gè)電壓隔離區(qū)，這個(gè)區(qū)越寬，內(nèi)阻越大，功率損耗越多，若換成以第三代半導(dǎo)體作為襯底，就可以將這個(gè)區(qū)域做得更薄，降低整體厚度，同時(shí)漂移區(qū)阻值降低。

導(dǎo)通電阻小了，能量損耗也就小了，性能得到提升。

第三代半導(dǎo)體應(yīng)用最廣的兩種材料：GaN & SiC

但受限于技術(shù)難度，幾種材料目前在晶圓尺寸上技術(shù)發(fā)展不一。

硅晶圓尺寸最大達(dá)12英寸，化合物半導(dǎo)體晶圓尺寸最大為6英寸。

8英寸是常用的成熟制程硅晶圓，當(dāng)前主流正在往12英寸轉(zhuǎn)移，18英寸硅晶圓也在研發(fā)中；GaAs襯底主流尺寸為4英寸及6英寸；SiC襯底主流供應(yīng)尺寸為2英寸及4英寸；GaN自支撐襯底以2英寸為主。

總體來(lái)說(shuō)，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)目前主要處于國(guó)外企業(yè)壟斷的局面，不過(guò)制備技術(shù)進(jìn)步使得碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）器件成本不斷下降，其性價(jià)比優(yōu)勢(shì)將充分顯現(xiàn)。

從增量來(lái)源來(lái)看，5G、光伏智能電網(wǎng)、新能源汽車等是主要的應(yīng)用方向，這些主要市場(chǎng)對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)要求很高，屬于前沿技術(shù)。中國(guó)第三代半導(dǎo)體從材料，到設(shè)計(jì)，再到晶圓制造都是起步階段。除了國(guó)內(nèi)個(gè)別企業(yè)有成熟的第三代半導(dǎo)體設(shè)計(jì)能力，產(chǎn)品可以批量出貨，其他還是小批量階段。

但相對(duì)來(lái)說(shuō)，第三代半導(dǎo)體相比較第一代第二代半導(dǎo)體處于發(fā)展初期，國(guó)內(nèi)和國(guó)際巨頭在這項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)上都仍在技術(shù)積累和突破的階段，而中國(guó)目前正處于芯片國(guó)產(chǎn)替代化的關(guān)鍵時(shí)期，有大量的應(yīng)用市場(chǎng)，縮短技術(shù)差距甚至彎道超車，在當(dāng)前的5G大時(shí)代來(lái)臨之機(jī)，大有可為。