第一代、第二代和第三代半導體知識科普

半導體原材料經歷了三個發展階段：

第一階段是以硅(Si)和鍺(Ge)為代表的第一代半導體材料

第二階段以砷化鎵等化合物為代表磷化銦(磷化銦)

第三階段是基于寬帶半導體材料，如氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)、硒化鋅(ZnSe)

半導體材料與器件的發展史

材料領域中，第一代、第二代、第三代沒有“一代更比一代好”的說法。氮化鎵、碳化硅等材料在國外一般稱為寬禁帶半導體。 將氮化鎵、氮化鋁、氮化銦及其混晶材料制成氮化物半導體，或將氮化鎵、砷化鎵、磷化銦制成Ⅲ—Ⅴ族半導體。我國使用的“第三代半導體材料”一詞，對應的是人類歷史上大規模應用半導體材料所帶來的三次產業革命。目前，第三代半導體發展迅速，第一、第二代半導體在工業中仍得到廣泛應用，在第三代半導體中發揮著不可替代的作用。

那么第三代半導體與第一代、第二代相比有哪些進步呢?這三代半導體在技術上有什么不同?為什么在第三代半導體中要選擇GaN和SiC?

第三代半導體

第一代半導體材料

崛起時間：

20世紀50年代

代表性材料：

硅(Si)、鍺(Ge)半導體材料

歷史意義：

第一代半導體材料引發了以集成電路(IC)為核心的微電子領域的飛速發展

由于硅材料的窄禁帶、低電子遷移率和擊穿電場，使其在光電子學和高頻大功率器件領域的應用受到許多限制。但第一代半導體具有較高的技術成熟度和成本優勢，在電子信息、新能源、硅光伏等行業領域仍有廣泛應用。

第二代半導體材料

崛起時間：

20世紀90年代以來，隨著移動通信的快速發展，以光纖通信和互聯網為基礎的信息高速公路的興起，以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導體材料開始涌現。。

代表性材料：

第二代半導體材料為化合物半導體。如砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)。砷化鎵鋁。也有一些固溶體半導體，如Ge—Si、Ga As—GaP。玻璃半導體(又稱非晶半導體)，如非晶硅、玻璃狀氧化物半導體。有機半導體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。

性能特點：

以砷化鎵為例。與第一代半導體相比，砷化鎵具有高頻、耐輻射、耐高溫等特點，因此被廣泛應用于主流商用無線通信、光通信，以及國防軍事等領域。

歷史意義：

第二代半導體材料主要用于制作高速、高頻、大功率和發光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件和發光器件的優良材料。由于信息高速公路和互聯網的興起，還廣泛應用于衛星通信、移動通信、光通信和GPS導航等領域。例如，與第一代半導體相比，砷化鎵(GaAs)可用于光電子領域，特別是在紅外激光器和高亮度紅光二極管中。

進入21世紀以來，智能手機、新能源汽車、機器人等新興電子技術迅猛發展。與此同時，全球能源和環境危機也日益突出。材料的性能限制已不能滿足科學技術的需要，這就呼喚新材料的出現來代替。

第三代半導體材料。

起源時間：

美國早在1993年就已經研制出第一個氮化鎵材料和器件，而我國最早的研究團隊中國科學院半導體研究所也于1995年開始這方面的研究，并于2000年Make HEMT結構材料。

代表性材料：

第三代半導體材料主要是寬禁帶(例如>2.3eV)以碳化硅(SiC)為代表的半導體，氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石和氮化鋁(AlN)。材料。

發展現狀：

在5G通信、新能源汽車、光伏逆變器等應用需求明確的推動下，應用領域的龍頭企業紛紛開始使用第三代半導體技術，這進一步提振了行業信心，堅定了投資第三代半導體技術路線的決心。

性能分析：

與第一代和第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度(>2.2eV)。更高的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和率和更高的耐輻射性，更適合制作耐高溫、高頻、大功率和耐輻射器件，并可廣泛應用于高壓、高頻、高溫和高可靠性領域，包括射頻通信、雷達、衛星、電源管理、汽車電子、工業電力電子等。

半導體材料主要性能參數比較

第三代半導體

半導體主要材料及應用

在第三代半導體中，與GaN相比，SiC的開發早于GaN，其技術成熟度也更高。兩者之間的一個很大的區別是導熱性，這使得SiC在高功率應用中占據了至高無上的地位。同時，由于GaN具有更高的電子遷移率，它可以比SiC或Si具有更高的開關速度。在高頻應用中，GaN具有優勢。

從下表中常用的“品質因數(FOM)”可以清楚地看到，SiC和GaN與前兩代半導體材料相比，在功能和特性上都有了很大的提升。

GaN和SiC在材料性能方面各有優缺點，因此在應用領域上各有側重，又有互補性。例如，GaN的高頻Baliga值明顯高于SiC，因此GaN的優點是在高頻、小功率、集中在1000 V以下的領域，如通信基站、毫米波等。SiC的Keye優值明顯高于GaN，所以SiC的優勢在1200V以上的高溫大功率領域，包括電力、高鐵、電動汽車、工業電機等。在中低頻率和中低功率領域，GaN和SiC都可以應用，與傳統的硅基器件競爭。

第三代半導體---碳化硅(SIC)

SiC從20世紀70年代開始發展。2001年SiCSBD商用，2010年SiCMOSFET商用。SiCIGBT仍在開發中。SiC可以大幅度降低功率轉換中的開關損耗，因此具有更好的能量轉換效率，更容易實現模塊的小型化，也更耐高溫。

碳化硅功率器件的主要應用領域：智能電網、交通運輸、新能源汽車、光伏、風力發電。新能源汽車是SiC功率器件市場的關鍵增長動力。目前，SiC器件主要應用于新能源汽車的動力控制單元(PCU)。最高同時在線控制單元，逆變器，直流—直流轉換器，車載充電器等。

2017年，全球碳化硅電力半導體市場總額達3.99億美元。。預計到2023年，SiC功率半導體的總市場規模將達到16.44億美元。

第三代寬禁帶半導體材料可廣泛應用于各個領域，如消費電子、照明、新能源汽車、導彈、衛星等，具有許多可突破第一、二代半導體材料發展瓶頸的優異性能。因此受到市場的青睞同時隨著技術的發展有望完全取代第一代和第二代半導體材料。

新的基礎設施為國內半導體廠商提供了巨大的發展機遇：我國在第三半導體材料方面起步比較晚，其技術水平與國外相比也比較低。這是一個彎道超車的機會，但還有很多困難和挑戰需要我們去面對。

Keep Tops以GaN 核心射頻半導體支持5G基站和工業互聯網系統建設。以碳化硅和IGBT為核心的功率半導體，支撐新能源汽車、充電樁、基站/數據中心電源、特高壓和軌道交通系統建設。以人工智能芯片為核心的SOC芯片支持數據中心和人工智能系統的建設。

不難看出，領先的氮化鎵和碳化硅第三代半導體是支持“新基礎設施”的核心材料。Keep Tops在“新基礎設施”和國產替代的支持下，國內半導體廠商將迎來巨大的發展機遇。

審核編輯：湯梓紅