第三代半导体的正确打开方式 - 联盟动态中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

中美干了一次架，而此时此刻恰逢电动汽车、5G通讯、自动驾驶等概念的兴起，让第三代半导体材料（下文简称三代半）得到了广泛的关注。对于第三代半导体之称常常让人感到疑惑，今天分享的帖子相信能让你内心的疑惑少一点。

三代半原来是他给叫出来的

半导体材料类型及应用领域极为繁多，但却并非所有的应用领域的半导体材料都是有“代”别，就拿贸易战推到封口浪尖的数字信息处理芯片来说，在数字集成电路（CPU，内存，固体硬盘，DSP等）领域，坚持使用大伙眼里的“一代半导体材料”：硅材料。

其实，第三代半导体是从射频器件材料的角度对半导体材料的划分。射频器件专家们将硅材料视为第一代半导体、砷化镓和磷化铟视为第二代半导体、氮化镓和碳化硅视为第三代半导体。在这一领域，新一代的半导体材料较老一代的半导体材料在微波射频领域拥有更大的功率密度、更高的截止频率等优势（因此，在特定的应用领域，半导体材料确实是一代比一代强的呢，哈哈哈！！！！！）。例如如老美在韩国部署的萨德雷达，就大量使用X波段的氮化镓射频器件。

因此，三代半其实一直是一个微波（射频）领域的概念，大概是以讹传讹，把多音字叫成了大家心里心里想要的字~~~~~~但今天我们还是认识了真正的它：第三代半导体。感谢三代半炼金术师Marth的精彩总结。

三代半的发家致富之道

在射频应用有优势的第三代半导体——碳化硅和氮化镓材料，当应用在（电力电子）功率半导体器件时，也能给电源设备等系统带来更高的效率和更大的功率密度。正因如此，“三代半”所带来的影响祭奠了比第二代半导体更加深远的地位。碳化硅和氮化镓材料撬动了一个庞大的传统市场——功率半导体市场，这哥应用市场是一个几乎无所不在的电源管理应用领域。它包含几乎所有设备的充放电适配器（如手机、电脑服务器、通信基站等）、工业电机驱动（如高铁、自动化机械手臂、电动车等）、新能源并网与电力传输（如光伏逆变系统、超高压柔性直流输电系统）、以及军工应用（如电磁炮、电磁弹射系统）。

三代半双雄：碳化硅&氮化镓

①碳化硅

碳化硅作为第三代半导体材料的典型代表，也是目前晶体生产技术和器件制造水平最成熟，应用最广泛的宽禁带半导体材料之一，目前在已经形成了全球的材料、器件和应用产业链。是高温、高频、抗辐射、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。由于碳化硅功率器件可显著降低电子设备的能耗，因此碳化硅器件也被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源器件”。

早在1980年代，三代半的伯乐：Baliga使用这个BFM因数，预言了碳化硅材料功率器件将比硅材料具有更高的功率密度，在同样的芯片大小和导通电阻，碳化硅器件的耐压可以比硅器件高10倍（限于单极性器件）。2000年初，随着碳化硅材料的生长和加工技术不断发展，世界上终于出现了可以大面积使用的碳化硅衬底。

6英寸碳化硅外延片：SiCon SiC

2001年第一款商业化的碳化硅二极管器件从德国英飞凌公司诞生。从此以后，碳化硅功率器件的发展一发不可收拾。英飞凌的第一款商业化的碳化硅二极管，标志着碳化硅功率器件在可靠性、制造成本上都达到了工业应用的标准。这个里程碑标示着工业应用中，除了需要更低的成本，更有着对可靠性和寿命的严格要求----一般工业应用都要求>20年的寿命。这是普通消费电子2~3年换一次的电子产品（如手机）的可靠性不能比拟的。

特斯拉在Model3高配车型中对碳化硅MOSFET的应用，是2018年功率半导体和碳化硅领域最引人注目的新闻之一。特斯拉的Model3是第一个应用碳化硅（sic）功率元器件的电动车型，用的是来自意法半导体的650vsic mosfet。相比models/x上用的igbt，sicmosfet能带来5-8%逆变器效率提升，也就是从models的82%逆变器效率提升到model3的90%，对续航提升显著。也是除减重以外Model3能耗提升的第二大因素。特斯拉为了追求行驶里程仅5%的提升，不惜贵几倍的代价在业界率先全面采用碳化硅(SiC)替代IGBT。由于特斯拉的引导效应，碳化硅作为功率器件在地球上的普及可能被提速了一倍。这不仅对电车产业，也对其它行业的节能产生了巨大而积极的推动作用。SiC功率器件其在新能源汽车及其配套领域的应用潜力很大呢。

据悉，碳化硅器件现在还是贵，所以只有高配的model3才会搭载

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②氮化镓

氮化镓一直是微波射频领域备受追捧的新材料。氮化镓的衬底材料很难生长，所以它主要通过在异质衬底上做外延生长得到。蓝宝石是GaN最初使用的衬底材料，也是最成熟的材料，大部分光电应用的GaN器件都是通过这种衬底制造的。新兴的两种衬底是Si和SiC，即GaN-on-Si（硅基氮化镓）和GaN-on-SiC（碳化硅基氮化镓）。由于碳化硅与氮化镓的晶格适配较小，氮化镓材料很自然的可以在碳化硅衬底上生长出高质量的外延，但制备成本当然也是岗岗的。

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GaN材料在LED和射频领域都有得天独厚的优势。氮化镓具有高的电离度，出色的击穿能力、更高的电子密度和电子速度以及更高的工作温度，且具有低导通损耗、高电流密度等优势。通常用于微波射频、电力电子、光电子三大领域。微波射频包含了5G通信、雷达预警、卫星通讯等应用；电力电子方向包括了智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等应用；光电子方向包括了LED、激光器、光电探测器等应用。