第三代半導體是以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為主的寬禁帶半導體材料，具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率、可承受大功率等特點。

 

第一代半導體材料，發明并實用于20世紀50年代，以硅（Si）、鍺（Ge）為代表，特別是硅，構成了一切邏輯器件的基礎。我們的CPU、GPU的算力，都離不開硅的功勞。

 

第二代半導體材料，發明并實用于20世紀80年代，主要是指化合物半導體材料，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表。其中砷化鎵在射頻功放器件中扮演重要角色，磷化銦在光通信器件中應用廣泛……

 

第三代半導體材料，發明并實用于本世紀初年，涌現出了碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）等具有寬禁帶（Eg＞2.3eV）特性的新興半導體材料，因此也被成為寬禁帶半導體材料。

超寬禁帶半導體材料，2005 年以后開始出現超寬禁帶半導體，圖1橫軸為材料引入時間，縱軸為材料的禁帶寬度，4 eV以上禁帶寬度的材料稱為超寬禁帶。包括目前比較典型氧化鎵、金剛石和氮化鋁。這些新材料的引入對半導體體系有很大發展和補充。

 

 

禁帶寬度是指一個能帶寬度（單位是電子伏特(eV)），固體中電子的能量是不可以連續取值的，而是一些不連續的能帶。要導電就要有自由電子存在，自由電子存在的能帶稱為導帶（能導電）。被束縛的電子要成為自由電子，就必須獲得足夠能量從而躍遷到導帶，這個能量的最小值就是禁帶寬度。半導體材料基本物理性質均與禁帶寬度相關，禁帶寬度越窄，材料的物性傾向于金屬，反之則傾向于絕緣體。

第一代半導體材料，屬于間接帶隙，窄帶隙；第二代半導體材料，直接帶隙，窄帶隙；第三代半導體材料，寬禁帶，全組分直接帶隙。

和傳統半導體材料相比，更寬的禁帶寬度允許材料在更高的溫度、更強的電壓與更快的開關頻率下運行。

 

第一代半導體材料主要用于分立器件和芯片制造；

 

第二代半導體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，也是制作高性能微波、毫米波器件的優良材料，廣泛應用在微波通信、光通信、衛星通信、光電器件、激光器和衛星導航等領域。

 

第三代半導體材料廣泛用于制作高溫、高頻、大功率和抗輻射電子器件，應用于半導體照明、5G通信、衛星通信、光通信、電力電子、航空航天等領域。第三代半導體材料已被認為是當今電子產業發展的新動力。

 

以第三代半導體的典型代表碳化硅（SiC）為例，碳化硅具有高臨界磁場、高電子飽和速度與極高熱導率等特點，使得其器件適用于高頻高溫的應用場景，相較于硅器件，碳化硅器件可以顯著降低開關損耗。因此，碳化硅可以制造高耐壓、大功率的電力電子器件如MOSFET、IGBT、SBD等，用于智能電網、新能源汽車等行業。與硅元器件相比，氮化鎵具有高臨界磁場、高電子飽和速度與極高的電子遷移率的特點，是超高頻器件的極佳選擇，適用于5G通信、微波射頻等領域的應用。

 

第三代半導體材料具有抗高溫、高功率、高壓、高頻以及高輻射等特性，相比第一代硅基半導體可以降低50%以上的能量損失，同時使裝備體積減小75%以上。

 

第三代半導體屬于后摩爾定律概念，制程和設備要求相對不高，難點在于第三代半導體材料的制備，同時在設計上要有優勢。

 

 

由于制造設備、制造工藝以及成本的劣勢，多年來第三代半導體材料只是在小范圍內應用，無法挑戰硅基半導體的統治地位。

 

目前碳化硅襯底技術相對簡單，國內已實現4英寸量產，6英寸的研發也已經完成。氮化鎵（GaN）制備技術仍有待提升，國內企業目前可以批量生產2英寸襯底，并具備了4、6、8英寸襯底生產能力。

 

 

在5G和新能源汽車等新市場需求的驅動下，第三代半導體材料有望迎來加速發展。硅基半導體的性能已無法完全滿足5G和新能源汽車的需求，碳化硅和氮化鎵等第三代半導體的優勢被放大。

 

另外，制備技術的進步使得碳化硅和氮化鎵器件成本不斷下降，碳化硅和氮化鎵的性價比優勢將充分顯現。初步判斷，第三代半導體未來的核心增長點將集中在碳化硅和氮化鎵各自占優勢的領域。