第一代半導(dǎo)體取代了笨重的電子管，帶來了以集成電路為核心的微電子工業(yè)的發(fā)展和整個 IT 產(chǎn)業(yè)的飛躍，廣泛應(yīng)用于信息處理和自動控制等領(lǐng)域。盡管硅擁有很多優(yōu)越的電子特性，但這些特性已經(jīng)快被用到極限，科學(xué)家一直在尋找能替代硅的半導(dǎo)體材料，以制造未來的電子設(shè)備，隨后化合物半導(dǎo)體橫空出世。

近年來，隨著功率半導(dǎo)體器件、工業(yè)半導(dǎo)體、汽車電力電子等領(lǐng)域的空前發(fā)展，第三代半導(dǎo)體材料越發(fā)凸顯其重要性與優(yōu)越性。目前發(fā)達(dá)國家都將第三代半導(dǎo)體材料及相關(guān)器件等的發(fā)展列為半導(dǎo)體重要新興技術(shù)領(lǐng)域。

第三代半導(dǎo)體材料主要應(yīng)用領(lǐng)域

作為一類新型寬禁帶半導(dǎo)體材料，第三代半導(dǎo)體材料在許多應(yīng)用領(lǐng)域擁有前兩代半導(dǎo)體材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：如具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高壓、高溫、高頻、高抗輻射能力，被譽(yù)為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”，是光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動機(jī)”。

此外，第三代半導(dǎo)體材料還具有廣泛的基礎(chǔ)性和重要的引領(lǐng)性。從目前第三代半導(dǎo)體材料和器件的研究來看，較為成熟的是氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）半導(dǎo)體材料，也是最具有發(fā)展前景的兩種材料。

從應(yīng)用范圍來說，第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域還具有學(xué)科交叉性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域廣、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)性大等特點(diǎn)。在半導(dǎo)體照明、新一代移動通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，是支撐信息、能源、交通、國防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)新材料。

在巨大優(yōu)勢和光明前景的刺激下，目前全球各國均在加大馬力布局第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域，但我國在寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化方面進(jìn)度還比較緩慢，寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)亟待突破。

不同化合物半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域

①GaAs 占大頭，主要用于通訊領(lǐng)域，全球市場容量接近百億美元，主要受益通信射頻芯片尤其是 PA 升級驅(qū)動；

②GaN 大功率、高頻性能更出色，主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，目前市場容量不到 10 億美元，隨著成本下降有望迎來廣泛應(yīng)用；

③SiC 主要作為高功率半導(dǎo)體材料應(yīng)用于汽車以及工業(yè)電力電子，在大功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中具有巨大的優(yōu)勢。

化合物半導(dǎo)體材料優(yōu)勢顯著

隨著半導(dǎo)體器件應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，特別是特殊場合要求半導(dǎo)體能夠在高溫、強(qiáng)輻射、大功率等環(huán)境下性能依然保持穩(wěn)定，第一代和第二代半導(dǎo)體材料便無能為力，于是第三代半導(dǎo)體材料。

第三代半導(dǎo)體主要包括氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）。

與第一代、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、高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子漂移速率等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求，從其材料優(yōu)越性來看，頗具發(fā)展?jié)摿?，相信隨著研究的不斷深入，其應(yīng)用前景將十分廣闊。

SOI 的一個特殊子集是藍(lán)寶石上硅工藝，在該行業(yè)中通常稱為 Ultra CMOS。目前，Ultra CMOS 是在標(biāo)準(zhǔn) 6 英寸工藝設(shè)備上生產(chǎn)的，8 英寸生產(chǎn)線亦已試制成功。示范成品率可與其它 CMOS 工藝相媲美。

GaAs 生產(chǎn)方式和傳統(tǒng)的硅晶圓生產(chǎn)方式存在較大差異，采用磊晶技術(shù)制造，磊晶圓直徑只有 4－6 英寸，而傳統(tǒng)硅晶圓直徑為 12 英寸，對技術(shù)和操作精度有較大提升；此外，磊晶圓生產(chǎn)需專門設(shè)備，這就使砷化鎵技術(shù)成本高于傳統(tǒng)硅基技術(shù)。磊晶目前有兩種，一種是化學(xué)的 MOCVD，一種是物理的 MBE。

GaN 則是在 GaAs 基礎(chǔ)上的再升級，性能更優(yōu)越，適用于微電子領(lǐng)域和光電子領(lǐng)域。在微電子領(lǐng)域主要為無線通訊、光通訊、無線局域 網(wǎng)、汽車電子產(chǎn)品、軍事電子產(chǎn)品等方面；光電子領(lǐng)域為射頻 IC，具體體現(xiàn)為 PA、LNA 等通信元件。

有望全面取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，第一代半導(dǎo)體硅（Si），主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)運(yùn)算領(lǐng)域，第二代半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs），主要應(yīng)用在通信領(lǐng)域，兩者都有一定的局限性。

第三代寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），以其高溫下的穩(wěn)定性、高效的光電轉(zhuǎn)化能力、更低的能量損耗等絕對優(yōu)勢，可以被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，無論是消費(fèi)電子設(shè)備、照明、新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、飛機(jī)發(fā)動機(jī)，還是導(dǎo)彈和衛(wèi)星，都對這種高性能的半導(dǎo)體有著極大的期待，未來有望全面取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。

第三代半導(dǎo)體材料已展現(xiàn)出極其重要的戰(zhàn)略性應(yīng)用價值，有望突破第一、二代半導(dǎo)體材料應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展瓶頸，創(chuàng)新開拓時代需求的新技術(shù)領(lǐng)域，不僅在信息領(lǐng)域，而且進(jìn)入到能源領(lǐng)域發(fā)揮極為重要的作用。

國內(nèi)化合物半導(dǎo)體需求放量

由于其具有禁帶寬、擊穿電場強(qiáng)度高、飽和電子遷移率高、熱導(dǎo)率大、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、新一代移動通信、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域，被視為支撐能源、交通、信息、國防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)，已成為美國、歐洲、日本半導(dǎo)體行業(yè)的重點(diǎn)研究方向。

半導(dǎo)體技術(shù)在不斷提升，端設(shè)備對于半導(dǎo)體器件性能、效率、小型化要求的越來越高。尋找硅（Si）以外新一代的半導(dǎo)體材料也隨之變得更加重要。在50多年前被廣泛用于LED產(chǎn)品的氮化鎵（GaN），再次走入大眾視野。特別是隨著5G的即將到來，也進(jìn)一步推動了以氮化鎵代表的第三代半導(dǎo)體材料的快速發(fā)展。

國際半導(dǎo)體企業(yè)決心將其優(yōu)勢擴(kuò)延至第三代化合物半導(dǎo)體。中國作為全球最大的移動通信市場和新能源汽車市場，要實(shí)現(xiàn)新興產(chǎn)業(yè)的自主化，就必須擺脫國外“芯片禁運(yùn)”的禁錮，因此實(shí)現(xiàn)化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)本土化勢在必行。

隨著市場需求的增長和政策的支持，越來越多企業(yè)涉足這一領(lǐng)域。較之海外以 IDM 為主，當(dāng)前國內(nèi)廠商普遍選擇代工模式，目前國內(nèi)已初步打造化合物半導(dǎo)體 PA“上游（晶圓）＋中游（設(shè)計、生產(chǎn)、封裝、測試）＋ 下游（客戶）”產(chǎn)業(yè)鏈。相比于 IDM，代工門檻更低、擴(kuò)產(chǎn)相對容易且風(fēng)險較小。

結(jié)尾：

5G通訊意味著流量增長、寬帶升級與頻率提高，對于基站端與終端的應(yīng)用場景提出了全新挑戰(zhàn)，通訊組件與電子器件必須適應(yīng)更高頻、更高溫、更高功率的環(huán)境，因此，化合物半導(dǎo)體成為5G通信的關(guān)鍵技術(shù)。

不僅是5G通信，新能源汽車、物聯(lián)網(wǎng)等諸多新興市場均對化合物半導(dǎo)體提出新需求。可以預(yù)見的是，第三代半導(dǎo)體材料是化合物半導(dǎo)體的新機(jī)遇，也是其重要的組成部分和發(fā)揮性能的關(guān)鍵要素。

公眾號：AI芯天下

聚焦人工智能、5G、區(qū)塊鏈、芯片等行業(yè)