第三代半導體來勢洶洶 前代材料將全面退賽？

從半導體材料的三項重要引數看，第三代半導體材料在電子遷移率、飽和漂移速率、禁頻寬度三項指標上均有著優異的表現。

半導體行業中有“一代材料、一代技術、 一代產業”的說法。

與一些人對“工業王冠上的鑽石”生產製造上的斷言相似，在晶片製造中，材料若缺席，技術充其量就是一紙PPT，無法落地為產品。

隨著以碳化矽、氮化鎵等寬禁帶化合物為代表的第三代半導體應用技術的進步，5G、毫米波通訊、新能源汽車、光伏發電、航空航天等戰略新興產業的關鍵核心器件的效能將獲得質的提升。

以氮化鎵材料切入電源管理應用為標誌，第三代半導體的“超級風口”已呼嘯而至。

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》已將推動“碳化矽、氮化鎵等寬禁帶半導體發展”寫入了“科技前沿領域攻關”部分。

化合物半導體制造產業迎來新風貌

當第一代、第二代半導體材料工藝逐漸接近物理極限，有望突破傳統半導體技術瓶頸的第三代半導體材料成為行業發展的寵兒。

事實上，國內之所以將半導體材料以“代”來劃分，多少緣自於隨著半導體材料的大規模應用而來的三次產業革命。

第一代半導體材料以矽（Si）為代表，其取代了笨重的電子管，推動了以積體電路為核心的微電子產業的迅猛發展。

第二代半導體材料以砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）等為主，磷化銦半導體鐳射器是光通訊系統的關鍵器件，砷化鎵高速器件更開拓了光纖及行動通訊新產業。

而以碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體材料則有效推動著半導體照明、顯示、電力汽車等產業的發展。

從半導體材料的三項重要引數看，第三代半導體材料在電子遷移率（低壓條件下的高頻工作效能）、飽和漂移速率（高壓條件下的高頻工作效能）、禁頻寬度（器件的耐壓效能、最高工作溫度與光學效能）三項指標上均強於矽材料器件。

其中，最引人注目的是第三代半導體的“寬禁帶（Wide Band-Gap，WBG）”。高禁頻寬度的好處是，器件耐高壓、耐高溫，並且功率大、抗輻射、導電效能強、工作速度快、工作損耗低。

但引數的優異並不意味著半導體材料一代更比一代好。事實上，一、二、三代半導體材料各有其適合的應用範疇，在未來很長的時間中，這三代半導體材料還將共存。

雖然矽材料沒有那麼牛的引數，但在可靠性和整體效能上，目前還沒有任何半導體材料可以和它抗衡。作為半導體行業人士心中的“終極半導體”，金剛石甚至連實驗室都還沒走出。

但同時我們可以看到，隨著氮化鎵材料切入電源管理，化合物半導體制造產業的風貌迎來改變。

化合物半導體泛指各種不以矽為基礎的半導體材料，通常可分成三五族半導體與二六族半導體。

三五族半導體由三族的元素鋁、鎵、銦及五族的元素氮、磷、砷、銻等組成。二六族半導體則是由二族的元素鋅、鎘、汞和六族元素硫、硒、碲形成的化合物。

所有電子裝置都需要電源管理，當氮化鎵敲開電源管理這個龐大市場的大門，化合物半導體也開始展現出不容小覷的商業潛力。

第三代半導體尚待產品匯入

由於製備工藝成熟、自然界儲備量大且應用廣泛，矽材料器件有著難以逾越的價格優勢。

然而，當特斯拉為了行駛里程僅5%的提升，不惜以成本高几倍的代價率先全面採用碳化矽時，這種新材料在新能源汽車及配套領域的應用潛力就得到了驗證，為將節能視為首要需求的行業樹立了一塊樣板。

雖然成本高昂、生產工藝不成熟等問題還待解決，但第三代半導體的應用之門已經拉開了一條縫。

阿里巴巴達摩院釋出的2021十大科技趨勢將“第三代半導體迎來應用大爆發”列在首位。

達摩院認為，未來五年，第三代半導體材料將在材料生長、器件製備等技術上實現突破，基於第三代半導體材料的電子器件將廣泛應用於5G基站、新能源汽車、特高壓、資料中心等場景，大幅降低整體能耗。

可以預見的是，隨著5G、新能源汽車等市場對第三代半導體的需求擴大，以及製備技術特別是大尺寸材料生長技術不斷獲得突破，第三代半導體的價效比也將得到提升。

第三代半導體在高溫、強輻射、大功率等特殊場景中的優勢顯著。但在可預見的功率器件等第三代半導體最有潛力的市場中，矽材料目前仍占主導地位，讓企業從已經成熟的矽產品線切換到第三代半導體，並不是件容易的事。

第三代半導體的難點不在裝置和邏輯電路設計，要走向規模商用，如何有效降低襯底價格、提高尺寸，如何配合不同材料的製程條件形成有效開發流程，持續滲透功率半導體領域，相關企業還需努力。

在達摩院十大科技趨勢專案組專家看來，第三代半導體要走向規模化、商用化，有些必要條件還需滿足。

比如，細分領域的代際優勢獲得市場進一步驗證，元器件可靠效能夠滿足整機廠商對消費端及工業端的差異化需求，應用端利潤可基本覆蓋材料到製程的投入，代工體系有效支撐通用晶片的穩定供貨及面向第三代半導體器件與電路的專業工程師群體的成長。