在剛剛結束的2020導熱粉體材料創新論壇上，5G可謂是炙手可熱備受關注，近幾年各頭部企業的大動靜也紛紛展露了它們在5G時代的布局與野心，而其中最熱門之一的便是處于核心的半導體材料了。

由于第三代半導體材料在制造高溫、高頻、抗輻射及大功率器件方面有優勢，比如5G通訊、汽車IGBT芯片、物流網等微波通訊領域，所以業內人士都認為在5G時代、人工智能時代，第三代半導體材料將會迎來大發展。

什么是第三代半導體？

第一代半導體材料是以硅（Si）為代表，其典型應用是集成電路，主要應用于低壓、低頻、低功率晶體管和探測器中；

第二代半導體以砷化鎵（GaAs）為代表，砷化鎵材料的電子遷移率是硅的6倍，具有直接帶隙，故其器件相對硅器件具有高頻、高速的光電性能，這是為4G時代而生，公認為是很合適的通信用半導體材料。但由于第二代半導體材料的禁帶寬度不夠大，擊穿電場較低，極大的限制了其在高溫、高頻和高功率器件領域的應用。GaAs材料的毒性可能引起環境污染問題，對人類健康存在潛在的威脅。

第三代半導體則是以以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）等為代表，其禁帶寬度大，采用第三代半導體材料制備的半導體器件不僅能在更高的溫度下穩定運行，而且在高電壓、高頻率狀態下更為可靠，此外還能以較少的電能消耗，獲得更高的運行能力。因此第三代半導體才是5G時代的標配。

半導體材料在晶圓領域的應用

晶圓(wafer)是制造半導體器件的基礎性原材料。極高純度的半導體經過拉晶、切片等工序制備成為晶圓，晶圓經過一系列半導體制造工藝形成極微小的電路結構，再經切割、封裝、測試成為芯片，廣泛應用到各類電子設備當中。晶圓材料經歷了60余年的技術演進和產業發展，形成了當今以硅為主、新型半導體材料為補充的產業局面。

硅儲量極其豐富，提純與結晶工藝成熟，并且氧化形成的二氧化硅(SiO2）薄膜絕緣性能好，使得器件的穩定性與可靠性大為提高，因而硅已經成為應用最廣的一種半導體材料。目前全球95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路采用硅作為襯底材料。

但是Si材料有其局限性，它的物理性質限制了其在光電子和高頻、高功率器件上的應用，如其間接帶隙的特點決定了它不能獲得高的電光轉換效率。且其帶隙寬度較窄(1.12 eV)飽和電子遷移率較低(1450 cm2/V·s)，不利于研制高頻和高功率電子器件。。

第三代半導體材料因禁帶寬度（Eg）大于或等于2.3電子伏特(eV)，又被稱為寬禁帶半導體材料。和第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點，可以滿足現代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求，是半導體材料領域最有前景的材料，在國防、航空、航天、石油勘探、光存儲等領域有著重要應用前景，在寬帶通訊、太陽能、汽車制造、半導體照明、智能電網等眾多戰略行業可以降低50%以上的能量損失，最高可以使裝備體積減小75%以上，對人類科技的發展具有里程碑的意義。

幾種常用半導體性能對比

第三代半導體的擊穿場強均遠高于Si，這意味著在相同耐壓級別條件下，Si襯底必須要做得比較厚，而且耐壓越高厚度就會越厚，導致材料成本更高，而且不利于電子器件的減薄。在柵極和漏極間有一個電壓隔離區，這個區越寬，內阻越大，功率損耗越多，若換成以第三代半導體作為襯底，就可以將這個區域做得更薄，降低整體厚度，同時漂移區阻值降低。

導通電阻小了，能量損耗也就小了，性能得到提升。

第三代半導體應用最廣的兩種材料：GaN & SiC

但受限于技術難度，幾種材料目前在晶圓尺寸上技術發展不一。

硅晶圓尺寸最大達12英寸，化合物半導體晶圓尺寸最大為6英寸。

8英寸是常用的成熟制程硅晶圓，當前主流正在往12英寸轉移，18英寸硅晶圓也在研發中；GaAs襯底主流尺寸為4英寸及6英寸；SiC襯底主流供應尺寸為2英寸及4英寸；GaN自支撐襯底以2英寸為主。

總體來說，第三代半導體產業目前主要處于國外企業壟斷的局面，不過制備技術進步使得碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）器件成本不斷下降，其性價比優勢將充分顯現。

從增量來源來看，5G、光伏智能電網、新能源汽車等是主要的應用方向，這些主要市場對半導體技術要求很高，屬于前沿技術。中國第三代半導體從材料，到設計，再到晶圓制造都是起步階段。除了國內個別企業有成熟的第三代半導體設計能力，產品可以批量出貨，其他還是小批量階段。

但相對來說，第三代半導體相比較第一代第二代半導體處于發展初期，國內和國際巨頭在這項新興產業上都仍在技術積累和突破的階段，而中國目前正處于芯片國產替代化的關鍵時期，有大量的應用市場，縮短技術差距甚至彎道超車，在當前的5G大時代來臨之機，大有可為。