第三代半導體是以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為主的寬禁帶半導體材料，具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率、可承受大功率等特點。

 

第一代半導體材料，發(fā)明并實用于20世紀50年代，以硅（Si）、鍺（Ge）為代表，特別是硅，構(gòu)成了一切邏輯器件的基礎(chǔ)。我們的CPU、GPU的算力，都離不開硅的功勞。

 

第二代半導體材料，發(fā)明并實用于20世紀80年代，主要是指化合物半導體材料，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表。其中砷化鎵在射頻功放器件中扮演重要角色，磷化銦在光通信器件中應用廣泛……

 

第三代半導體材料，發(fā)明并實用于本世紀初年，涌現(xiàn)出了碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）等具有寬禁帶（Eg＞2.3eV）特性的新興半導體材料，因此也被成為寬禁帶半導體材料。

超寬禁帶半導體材料，2005 年以后開始出現(xiàn)超寬禁帶半導體，圖1橫軸為材料引入時間，縱軸為材料的禁帶寬度，4 eV以上禁帶寬度的材料稱為超寬禁帶。包括目前比較典型氧化鎵、金剛石和氮化鋁。這些新材料的引入對半導體體系有很大發(fā)展和補充。

 

 

禁帶寬度是指一個能帶寬度（單位是電子伏特(eV)），固體中電子的能量是不可以連續(xù)取值的，而是一些不連續(xù)的能帶。要導電就要有自由電子存在，自由電子存在的能帶稱為導帶（能導電）。被束縛的電子要成為自由電子，就必須獲得足夠能量從而躍遷到導帶，這個能量的最小值就是禁帶寬度。半導體材料基本物理性質(zhì)均與禁帶寬度相關(guān)，禁帶寬度越窄，材料的物性傾向于金屬，反之則傾向于絕緣體。

第一代半導體材料，屬于間接帶隙，窄帶隙；第二代半導體材料，直接帶隙，窄帶隙；第三代半導體材料，寬禁帶，全組分直接帶隙。

和傳統(tǒng)半導體材料相比，更寬的禁帶寬度允許材料在更高的溫度、更強的電壓與更快的開關(guān)頻率下運行。

 

第一代半導體材料主要用于分立器件和芯片制造；

 

第二代半導體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，也是制作高性能微波、毫米波器件的優(yōu)良材料，廣泛應用在微波通信、光通信、衛(wèi)星通信、光電器件、激光器和衛(wèi)星導航等領(lǐng)域。

 

第三代半導體材料廣泛用于制作高溫、高頻、大功率和抗輻射電子器件，應用于半導體照明、5G通信、衛(wèi)星通信、光通信、電力電子、航空航天等領(lǐng)域。第三代半導體材料已被認為是當今電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新動力。

 

以第三代半導體的典型代表碳化硅（SiC）為例，碳化硅具有高臨界磁場、高電子飽和速度與極高熱導率等特點，使得其器件適用于高頻高溫的應用場景，相較于硅器件，碳化硅器件可以顯著降低開關(guān)損耗。因此，碳化硅可以制造高耐壓、大功率的電力電子器件如MOSFET、IGBT、SBD等，用于智能電網(wǎng)、新能源汽車等行業(yè)。與硅元器件相比，氮化鎵具有高臨界磁場、高電子飽和速度與極高的電子遷移率的特點，是超高頻器件的極佳選擇，適用于5G通信、微波射頻等領(lǐng)域的應用。

 

第三代半導體材料具有抗高溫、高功率、高壓、高頻以及高輻射等特性，相比第一代硅基半導體可以降低50%以上的能量損失，同時使裝備體積減小75%以上。

 

第三代半導體屬于后摩爾定律概念，制程和設(shè)備要求相對不高，難點在于第三代半導體材料的制備，同時在設(shè)計上要有優(yōu)勢。

 

 

由于制造設(shè)備、制造工藝以及成本的劣勢，多年來第三代半導體材料只是在小范圍內(nèi)應用，無法挑戰(zhàn)硅基半導體的統(tǒng)治地位。

 

目前碳化硅襯底技術(shù)相對簡單，國內(nèi)已實現(xiàn)4英寸量產(chǎn)，6英寸的研發(fā)也已經(jīng)完成。氮化鎵（GaN）制備技術(shù)仍有待提升，國內(nèi)企業(yè)目前可以批量生產(chǎn)2英寸襯底，并具備了4、6、8英寸襯底生產(chǎn)能力。

 

 

在5G和新能源汽車等新市場需求的驅(qū)動下，第三代半導體材料有望迎來加速發(fā)展。硅基半導體的性能已無法完全滿足5G和新能源汽車的需求，碳化硅和氮化鎵等第三代半導體的優(yōu)勢被放大。

 

另外，制備技術(shù)的進步使得碳化硅和氮化鎵器件成本不斷下降，碳化硅和氮化鎵的性價比優(yōu)勢將充分顯現(xiàn)。初步判斷，第三代半導體未來的核心增長點將集中在碳化硅和氮化鎵各自占優(yōu)勢的領(lǐng)域。