第三代半导体材料都有什么？

第三代半导体材料以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石(C)为代表，我国从1995年开始涉足第三代半导体材料的研究。其中，碳化硅凭借其耐高压、耐高温、低能量损耗等特性被认为是5G通信晶片中最理想的衬底，氮化镓则凭借其高临界磁场、高电子迁移率的特点被认为是超高频器件的绝佳选择。需要说明的是，第三代半导体与第一代、第二代半导体之间并不是相互替代的关系。它们适用于不同的领域，应用范围有所交叉，但不是完全等同。第三代半导体有其擅长的领域，在特定的“舒适区”内性能确实是优于硅、锗等传统半导体材料，但在“舒适圈”之外，硅仍然占据王者地位

最近随着5G的普及，第三代半导体的应用也越来越被行业和大众所关注，在5G芯片上也被大量应用，那究竟什么是第三代半导体氮化镓呢？它有什么过人之处？在新一代半导体的应用研发上我们能否做到后来居上，打破关键技术被外国“卡脖子”的命运呢？

什么是第三代半导体氮化镓？

说到第三代半导体，我们就应该回顾一下半导体的发展历史。第一代半导体最早是锗，后来应用最广泛的是硅，它们的特点是原料易得，所以被大规模使用，包括我们现在许多芯片都是近乎纯净的硅制备成硅单晶后在经过各种加工做成的。

第二代半导体是复合物，包括我们最常用的砷化镓等化合物，在早期的时候，它在功放等功能上具有明显的优势。但是由于砷元素有剧毒，比如砒霜中就含有砷元素，所以后来砷化镓就逐渐被禁用了。

再到后来，性能更加优越的的第三代半导体材料出现了。第三代半导体和第二代半导体一样都是复合物，研究最为广泛的当属氮化镓和碳化硅，以及氮化铝等。在应用方面，碳化硅在高电压、大功率等领域有着独特的优势，而氮化镓的转换频率可以做到很高，所以经常被应用于高频功放器件领域；氮化铝则因为其特色的性能，在民用上面涉及得比较少。

功率半导体是电动车的核心，LED是显示设备的核心，射频是5G通讯的核心，这三个的最基本就是碳化硅，所以才会由很多业内人士称碳化硅是半导体材料中的王者，而氮化镓形容成温柔而又文雅的女士，站在碳化硅这位巨人的肩膀上进行极致发挥，应该被誉为半导体材料的王后。

我国氮化镓的研究进展

自2018年中兴被美国制裁到2019华为被美国制裁，根源上仍然是我国半导体行业有重大短板，目前最为民众关注的就是能否利用第三代半导体弯道超车。第三代半导体投资并不是很大，重点是人才，注重人才的培养对后面的研发和部署都具有重大的战略意义。

而现在全世界最强大的5G领域国家是以中国，美国和欧洲为核心的，在这次全世界的5G标准的立项并且通过的企业也是中国占了大头，一共就有21项，其中包括中国移动10项，华为8项，中兴2项，联通1项，而以前一直处于霸主地位的美国只有9项。这些也足以可以说明5G标准的主导者当然是中国了。同时中国在5G上应用第三代半导体的技术也位居世界前列。

5G它是个庞大的体系，他的强大得由多方力量支撑，在这个体系中，我们中国除了芯片方面要稍微弱势一点，其他都是排在世界前列，而第三代氮化镓芯片时代也打破了以前一无所有的境遇。中国5G的发展，绝不仅仅是通信技术本身的开阔，更是对社会发展的影响，也会在很大程度上改变中国的实力。让我们的国家在国际上有着更大的话语权。

硅时代的诞生

1883年，爱迪生发现了爱迪生效应，为电子器件的诞生奠定了基础。

1896年，弗莱明在爱迪生效应的基础上发明了真空二极管，这是人类历史上的第一支电子器件，后来，但因为耗电量大、寿命短，1950年，贝尔实验室发明的PN结型晶体管取代了二极管，开辟了电子器件的新纪元。

当时晶体管的材料主要是锗，1958年，杰克·基尔比发明了锗的集成电路，而罗伯特·诺伊斯则发明了基于硅的集成电路，相比于晶体管，集成电路具有微小型化、高集成化、低功耗、智能化和高可靠性等优点，这使得微处理器的出现成为了可能，是一场新的电子革命，而硅也走上了历史舞台。

罗伯特·诺伊斯

后来，随着集成电路在日常生活里的广泛运用，像存储芯片的诞生、个人电脑的出现等等，锗的缺陷也开始慢慢暴露，比如产量过低，导致成本过高；氧化物不稳定，导致了制作器件难度大；禁带宽度过低，禁带宽度是指组电的能力，过低就容易被击穿，静态功耗增大；达不到硅的纯度还有低界面态密度。

1964年推出的IBM360，堪称划时代的电脑产品，改变了计算机行业的发展进程，五年后，已安装的IBM计算机的全球库存总值已增加到240亿美元，竞争对手的库存总值达到90亿美元。换句话说，IBM360大幅增加了市场对计算的整体需求，促进了成千上万的企业组织越来越广泛地使用计算机，推动了计算机在生活中的普及。

这种种的缺点导致了锗开始退出历史舞台，芯片产业迎来了硅时代。整个芯片产业都是围绕硅来展开，无论是制造芯片的设备，还是芯片自身的材料等，都是围绕硅而展开的，由硅制造的数十亿的晶体管继承在硅片之上，这些晶体管成为了信息时代流动的血液，形成各种文字、数字、声音、图像和色彩，便捷了人类的生活。

可以说，硅（Si）作为集成电路的最基础材料，是构建整个现代文明社会的砖石，我们的吃穿住行都离不开由硅构建的半导体产业形成的产品，它是人类社会近几十年快速发展的基石，而作为硅时代的缔造者，美国也在芯片产业中具有无可比拟的话语权。

无论是存储芯片还是非存储芯片，抑或是围绕着芯片而诞生的设计工具EDA，都是欧美掌握着话语权，中国虽然能够生产芯片，但大多是低端产品，如FPGA、射频芯片等等，高端都是由美国垄断。

随着摩尔定律逼近极限，人类对芯片制程的探索从微米到纳米，硅的缺陷也开始慢慢暴露，如果中国想要在芯片产业全面领先世界，那么就需要亲手终结硅时代，发起新的材料革命，引领新的潮流。

新一代材料革命正在酝酿

随着半导体产业对芯片的探索达到了1nm，硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低的缺陷也开始慢慢显现，而且硅在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，在高频下工作性能较差，不适用于高压应用场景，光学性能也得不到突破。

所以科学家一直想要发起新一次的材料革命，终结硅时代，从而促进电子器件的新一次革命发展，让更多的电子产品成为可能。材料革命也被认为是第四次革命的突破口之一。

由于科学家并不难确定什么样的材料能够替代硅，所以提出了许多的方案，比如石墨烯、碳纳米管、碳化硅、氮化镓等，

任正非曾对石墨烯的未来寄予了厚望，他曾经在采访中提到：

这个时代将来最大的颠覆，是石墨烯时代颠覆硅时代，但是颠覆需要有继承性发展，在硅时代的成功者最有希望成为石墨烯时代的成功者，每一次新型材料的更迭，都会引发一场材料革命，都代表着一个社会的进步，一个时代的进步，从目前来看，现在依旧是硅时代。

碳纳米管也是热门选手之一，美国多个科研团队通过实验发现，当硅材料逼近极限的时候，碳纳米管是一种很好的替代材料。

碳化硅、氮化镓被认为属于第三代宽禁带材料，材料端在半导体行业内共分为三代：第一代元素半导体材料，如硅（Si）和锗(Ge)；第二代化合物半导体材料：如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等；第三代宽禁带材料，如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氮化铝（ALN）、氧化镓（Ga2O3）等。其中碳化硅、氮化镓被认为是黄金选手。

石墨烯和碳纳米管甚至碳化硅都属于低维碳材料，中国科学院院士刘忠范也认为：

地球上碳的储量非常丰富，在地壳中排行第四，空气中也有大量的碳。随着富勒烯、石墨烯等的发现，碳材料的应用正日益广泛。比如具有完美的一维纳米结构的碳纳米管，密度低，机械强度高，具有极好的导热导电性能。

也就是说取代硅时代的将极有可能是碳时代。而一旦新的材料时代到来，芯片将会以新的面貌出现，芯片设计厂商、芯片设备厂商、晶圆加工厂商原有的垄断格局将彻底打破，举一个例子，台积电目前的产线就要全部更换，原有的技术积累全部清零，又要重新开始，高通英特尔也是如此，我们心中一直的痛光刻机，也在新材料的到来下变为废铁，可以说到时候中西方都在同一起跑线，而谁能亲手终结硅时代，那么谁就可以率先抢跑。

目前各国发展情况

目前来看，中美属于第一梯队，美国相较中国领先，而日韩欧三国则处于第二梯队，其他国家则只有当观众的份，重在参与的资格都没有。

中国目前在石墨烯、碳纳米管等多个新材料领域都取得了不错的成绩，而且依托于中国庞大的市场需求，容易催生新的产业。

中国目前也在大力倡导2025计划，关注颠覆性新材料对传统材料的影响。中国在这场博弈中不会和上一次一样，连参与的机会都没有。

可以预见的是，新一代材料革命正在酝酿，在2020年开启的20世代里，新材料革命将如星星之火，彻底终结到达极限的硅时代，新一代的王者将诞生，而人类社会也将发生巨变。

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