第三代半导体材料发展历程

二十一世纪以来，以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）、氧化锌(ZnO)、金刚石为四大代表的第三代半导体材料开始初露头角。 

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。

不同半导体材料的发展历程

第一代半导体主要有硅和锗，由于硅的自然储量大、制备工艺简单，硅成为制造半导体产品的主要原材料，广泛应用于集成电路等低压、低频、低功率场景。但是，第一代半导体材料难以满足高功率及高频器件需求。

砷化镓是第二代半导体材料的代表，较高的电子迁移率使其应用于光电子和微电子领域，是制作半导体发光二极管和通信器件的核心材料。但砷化镓材料的禁带宽度较小、击穿电场低且具有毒性，无法在高温、高频、高功率器件领域推广。

第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓为代表，与前两代半导体材料相比最大的优势是较宽的禁带宽度，保证了其可击穿更高的电场强度，适合制备耐高压、高频的功率器件，是电动汽车、5G 基站、卫星等新兴领域的理想材料。

性能优异，第三代半导体成为先进生产力代表

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。

第三代半导体应用场景根据产品类型划分：

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具有热导率高、高频率、高功率等优点，相较于传统的硅基 LDMOS 器件，其可以更好地适应 5G 通信基站、雷达应用等领域低能耗、高效率要求。

2、功率器件：又称电力电子器件，主要应用于电力设备电能变换和控制电路方面的大功率电子器件，有功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT 等。碳化硅基碳化硅器件在 1000V 以上的中高压领域有深远影响，主要应用领域有电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网等。

3、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（On-board charger，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、行驶里程更长。目前，国内外车企均积极布局碳化硅器件应用，以优化电动汽车性能，特斯拉、比亚迪、丰田等车企均开始采用碳化硅器件。随着碳化硅功率器件的生产成本降低，碳化硅在充电桩领域的应用也将逐步深入。

4、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。根据中商情报网数据，使用碳化硅功率器件可使转换效率从 96%提高至 99%以上，能量损耗降低 50%以上，设备循环寿命提升 50 倍，从而带来成本低、效能高的好处。

5、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。其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。相比其他电力电子装置，电力系统要求更高的电压、更大的功率容量和更高的可靠性，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、低损耗等独特优势，在固态变压器、柔性交流输电、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发展和变革。

6、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

7、射频通信：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。