什么是第三代半导体？包你能看懂

作者/朱公子

第三代半导体

我估摸着只要是炒股或者是关注二级市场的朋友们，这几天一定都没少听这词儿，如果不是大盘这几天实在是太惨了，估计炒作行情会比现在强势的多得多。

那到底这所谓的第三代半导体，到底是个什么玩意？值不值得炒？未来的逻辑在哪儿？

接下来，只要您能耐着性子好好看，我保证给它写的人人都能整明白，这可比你天天盯着大盘有意思的多了！

一、为什么称之为第三代半导体？

1、重点词

客官们就记住一个关键词—— 材料 ，这就是前后三代半导体之间最大的区别。

2、每一代材料的简述

①第一代半导体材料： 主要是指硅（Si）、锗元素（Ge）半导体材料。

兴起时间： 二十世纪五十年代。

代表材料： 硅（Si）、锗（Ge）元素半导体材料。

应用领域： 集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业。

历史 意义： 第一代半导体材料引发了以集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展。

对于第一代半导体材料，简单理解就是：最早用的是锗，后来又从锗变成了硅，并且几乎完全取代。

原因在于： ①硅的产量相对较多，具备成本优势。②技术开发更加完善。

但是，到了40纳米以下，锗的应用又出现了，因为锗硅通道可以让电子流速更快。现在用的锗硅在特殊的通道材料里会用到，将来会涉及到碳的应用，下文会详细讲解。

②第二代半导体材料： 以砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）为代表，是4G时代的大部分通信设备的材料。

兴起时间： 20世纪九十年代以来,随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起,以砷化镓、锑化铟为代表的第二代半导体材料开始崭露头角。

代表材料： 如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；还有一些固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半导体（又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。

应用领域： 主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。

因信息高速公路和互联网的兴起，还被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和 GPS 导航等领域。

性能升级： 以砷化镓为例，相比于第一代半导体，砷化镓具有高频、抗辐射、耐高温的特性。

总结： 第二代是使用复合物的。也就是复合半导体材料，我们生活中常用的是砷化镓、磷化铟这一类材料，可以用在功放领域，早期它们的速度比较快。

但是因为砷含剧毒！所以现在很多地方都禁止使用，砷化镓的应用还只是局限在高速的功放功率领域。而磷化铟则可以用来做发光器件，比如说LED里面都可以用到。

③第三代半导体材料： 以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）、金刚石为四大代表，是5G时代的主要材料。

起源时间： M国早在1993年就已经研制出第一支氮化镓的材料和器件。而我国最早的研究队伍——中国科学院半导体研究所，在1995年也起步了该方面的研究。

重点： 市场上从半年前炒氮化镓的充电器时，市场的反应一直不够强烈，那是因为当时第三代半导体还没有被列入国家“十四五”这个层级的战略部署上，所以单凭氮化镓这一个概念，是不足以支撑整个市场逻辑的！

发展现状： 在5G通信、新能源 汽车 、光伏逆变器等应用需求的明确牵引下，目前，应用领域的头部企业已开始使用第三代半导体技术，也进一步提振了行业信心和坚定对第三代半导体技术路线的投资。

性能升级： 专业名词咱们就不赘述了，通俗的说，到了第三代半导体材料这儿，更好的化合物出现了，性能优势就在于耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低。

有一点我觉得需要单独提一下：碳化硅与氮化镓相比较，碳化硅的发展更早一些，技术成熟度也更高一些；两者有一个很大的区别是热导率：在高功率应用中，碳化硅占据统治地位；氮化镓具有更高的电子迁移率，因而能够比碳化硅具有更高的开关速度，所以在高频率应用领域，氮化镓具备优势。

第三代半导体的应用

咱们重点说一说碳化硅 。碳化硅在民用领域应用非常广泛：其中电动 汽车 、消费电子、新能源、轨道交通等领域的直流、交流输变电、温度检测控制等。

咱先举两个典型的例子：

1.2015年，丰田 汽车 运用碳化硅MOSFET的凯美瑞试验车，逆变器开关损耗降低30%。

2.2016年，三菱电机在逆变器上用到了碳化硅，开发出了全世界最小马达。

而其他军用领域上，碳化硅更是广泛用于喷气发动机、坦克发动机、舰艇发动机、风洞、航天器外壳的温度、压力测试等。

为什么我说要重点说说碳化硅呢？因为半导体产业的基石正是 芯片 ，而碳化硅，正因为它优越的物理性能，一定是将来 最被广泛使用在制作半导体芯片上的基础材料 ！

①优越的物理性能：高禁带宽度（对应高击穿电场和高功率密度）、高电导率、高热导率。而且，碳化硅MOSFET将与硅基IGBT长期共存，他们更适合应用在高功率和高频高速领域。

②这里穿插了一个陌生词汇：“禁带宽度”，这到底是神马东西？

这玩意如果解释起来，又得引申出如“能带”、“导带”等一系列的概念，如果不是真的喜欢，我觉得大家也没必要非去研究这些，单说在第三代半导体行业板块中，能知道这一个词，您已经跑赢90%以上的小散了。

客观们就主要记住一个知识点吧： 对于第三代半导体材料，越高的禁带宽度越有优势 。

③主要形式：“衬底”。半导体芯片又分为：集成电路和分立器件。但不论是集成电路还是分立器件，其基本结构都可划分为“衬底 -外延-器件”结构，而碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料。

④生产工艺流程：

原料合成——晶体生长——晶锭加工——晶体切割——晶片研磨——晶片抛光——晶片检测——晶片清洗

总结：晶片尺寸越大，对应晶体的生长与加工技术难度越大，而下游器件的制造效率越高、单位成本越低。目前国际碳化硅晶片厂商主要提供4英寸至6英寸碳化硅晶片，CREE、II-VI等国际龙头企业已开始投资建设8英寸碳化硅晶片生产线。

⑤应用方向：科普完知识、讲完生产制造，最终还是要看这玩意儿怎么用，俩个关键词：功率器件、射频器件。

功率器件： 最重要的下游应用就是—— 新能源 汽车 ！

现有技术方案：每辆新能源 汽车 使用的功率器件价值约700美元到1000美元。随着新能源 汽车 的发展，对功率器件需求量日益增加，成为功率半导体器件新的增长点。

新能源 汽车 系统架构中，涉及到功率器件包括——电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载DC/DC）和非车载充电桩。碳化硅功率器件应用于电机驱动系统中的主逆变器。

另外还应用领域也包括——光伏发电、轨道交通、智能电网、风力发电、工业电源及航空航天等领域。

射频器件： 最重要的下游应用就是—— 5G基站 ！

微波射频器件，主要包括——射频开关、LNA、功率放大器、滤波器。5G基站则是射频器件的主要应用方向。

未来规模：5G时代的到来，将为射频器件带来新的增长动力！2025年全球射频器件市场将超过250亿美元。目前我国在5G建设全球领先，这也是对岸金毛现在狗急跳墙的原因。

我国未来计划建设360万台-492万台5G宏基站，而这个规模是4G宏基站的1.1-1.5倍。当前我国已经建设的5G宏基站约为40万台，未来仍有非常大的成长空间。

半导体行业的核心

我相信很多客官一定有这样的疑问： 芯片、半导体、集成电路 ，有什么区别？

1.半导体：

从材料方面说 ，教科书上是这么描述的：Semiconductor，是常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的一类材料；

按功能结构区分， 半导体行业可分为：集成电路（核心）、分立器件、光电器件及传感器四大类。

2.集成电路（IC， integrated circuit）：

最经典的定义就是：将晶体管、二极管等等有源元件、电阻器、电容器等无源元件，按照一定的电路互联，“集成”在一块半导体单晶片上，从而完成特定的电路或者系统功能。

3.芯片：

半导体元件产品的统称 ，是指内含集成电路的硅片，是集成电路的载体，由晶圆分割而成。硅片是一块很小的硅，内含集成电路，它是计算机或者其他电子设备的一部分。

为什么说集成电路，是半导体行业的核心？ 那是因为集成电路的销售比重，基本保持在半导体销售额的80%。

比如，2018年全球4700亿美元的半导体销售额中，集成电路共计3900亿美元，占比达84%。

第三代半导体的未来方向

中国半导体业进入IDM模式是大势所趋，其长久可持续性我非常认可。但是讲到IDM，又有一堆非常容易混淆的概念，篇幅实在是太长了，咱们就不再拆分来讲了，你只要知道IDM最牛逼就完事了！

IDM： 直译：Integrated Design and Manufacture， 垂直整合制造 。

1.IDM企业： IDM商业模式，就是国际整合元件制造商模式。其厂商的经营范围涵盖了IC设计、IC制造、封装测试等各个环节，甚至也会延伸到下游电子终端。典型厂商：Intel、三星、TI（德州仪器）、东芝、ST（意法半导体）等。

2.IDM模式优势：

（1）IDM模式的企业，内部有资源整合优势，从IC设计到IC制造所需的时间较短。

（2）IDM企业利润比较高。根据“微笑曲线”原理，最前端的产品设计、开发与最末端的品牌、营销具有最高的利润率，中间的制造、封装测试环节利润率较低。

（3）IDM企业具有技术优势。大多数的IDM企业都有自己的IP（知识产权），技术开发能力比较强，具有技术领先优势。

3.IDM重要性

IDM的重要性是不需要用逻辑去判断的，全球集成电路市场的60%由IDM企业所掌握。比如三星电子、恩智浦、英飞凌、NXP等。

4.中国为什么要发展IDM模式？

IDM模式的优势： 产业链内部直接整合、具备规模效应、有效缩短新产品上市时间、并将利润点留在企业内部。

市场的自然选择： 此外，中国已成为全球最大的集成电路消费市场，并具有丰富的劳动力资源，对于发展自有品牌的IDM具有市场优势和成本优势。

现在，无论是被M国的封锁倒逼出来，还是我们自主的选择，我们都必须开拓出一条中国IDM发展之路！

现状： 目前国内现有的所谓IDM，其制造工艺水平和设计能力相当低，比较集中在功率半导体，产品应用面较窄，规模做不大。我知道，这些事实说出来挺让人沮丧的，但这就是事实。

但正因为我们目前处在相对落后的阶段，才更加需要埋头苦干、咬牙追赶，然后一举拿下！

本来写这篇文章的时候不想说股的，但还是提几只吧，也算是给咱们国家的半导体事业做一点点微小的贡献。

射频类相关优质标的：卓胜微、中天 科技 、和而泰、麦捷 科技 ；

IDM相关优质标的：中环股份、上海贝岭、长电 科技 。

台海网10月27日讯 据厦门日报报道 最近，“芯片”“IC”“光刻机”“三代半”等成为热门话题，在股票市场上，第三代半导体概念股也成为股市的热点。因此，我们有必要了解什么是第三代半导体？第三代半导体有哪些用途？对我国国民经济有什么意义？

半导体材料发展经历三个阶段

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类材料，半导体材料经历了三个发展阶段，不同阶段出现的材料被称为第一代、第二代、第三代半导体材料。

第一代半导体又称为“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。20世纪50年代，锗在半导体中占主导地位，到了20世纪60年代逐渐被硅（Si）取代。目前硅的制造技术最成熟，应用最广，至今全球95%以上的半导体芯片和器件仍是用硅片生产出来的，广泛应用于信息处理和自动控制等领域。以集成电路（IC）为核心的现代微电子工业的发展，促进了全球整个IT信息产业的飞跃发展。硅材料自然界蕴藏量大，制造工艺成熟，成本低，人们对其性能最了解，在硅的表面很容易制备二氧化硅薄膜，非常适合于平面集成电路的制备，它在低压、大规模逻辑器件如CPU（电脑和手机的中央处理器）、人工智能芯片等电子和微电子领域具有较大的优势。但它工作频率不高、抗辐射性能不强、耐热和耐高压性能较差、光电性能差，因此在光电子领域和微波通信等应用方面受到局限。

20世纪80年代出现的第二代半导体是化合物半导体，包含有砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）以及许多其他Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体（由元素周期表ⅢA族和ⅤA族元素组成的一类半导体材料。如砷化镓、磷化镓等），具有高频、抗辐射、低功耗的特性，主要用于制作高频微波、毫米波器件以及发光电子器件，广泛应用于移动通信、光通讯、LED发光器件、激光器、GPS导航等，它引发了光电产业、互联网和移动通信的革命。但是砷化镓、磷化铟等材料中的镓和铟属于稀缺资源，且制造工艺难度较大，大尺寸晶圆制备难，成本较高，虽然它们在高频方面有优势，但在耐高温、大电流、大功率方面性能并无优势，并且有的还带有毒性，对环境有影响，使得第二代半导体材料的应用具有一定的局限性。

21世纪初出现的第三代半导体包含氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等化合物，又被称为宽禁带半导体，也被简称为“三代半”。它与前两代相比，具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电压、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、大功率及抗辐射器件，可满足现代电子技术对高功率密度、高击穿电压、高频率响应，以及耐高温、抗辐射等在恶劣环境下工作可靠性的要求，因此，被认为是最有发展前景的半导体材料。但是由于制造工艺难度大、成本高，基于三代半材料的器件品种还较少，目前占半导体市场中的份额还很小。

半导体这三个所谓的“代”，并不是像移动通信3G、4G、5G那样“后一代替代前一代”的关系，而是新一代根据其特性在某些应用领域挤占了前一代的部分市场份额，同时也拓展了新的市场。它们各有各的优势，之间的关系与其说是“代”的关系，倒不如说是“兄弟”关系。

全产业链布局第三代半导体

我国是全球最大的半导体消费国，但我国的半导体产业发展相对滞后，产品80%以上靠国外进口，特别是高端芯片产品几乎完全依赖进口。目前，加快发展半导体产业已成为我国的一项重要战略任务。相对于第一代、第二代半导体，第三代半导体目前国际上尚处于起步发展阶段，我国追赶国际先进水平机会更大。虽然目前它的市场比重还比较小，但我国随着5G基建、特高压、城际高铁和城市轨道交通、新能源 汽车 充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等“新基建”的开展，未来对高频、高压、高功率密度、高能效器件的需求将加大，第三代半导体在这些方面有着无可比拟的优势。这些高端需求将带动第三代半导体技术进步和相关产品的开发，可以预见当需求拉动叠加成本降低，第三代半导体应用将迎来爆发性增长。

在2016年国务院发布的《“十三五”国家 科技 创新规划》中，第三代半导体被列为国家面向2030年重大项目之一。厦门市也把第三代半导体产业列入着力培育的具有发展潜力的十大未来产业。近年来在中央和各地政府出台政策的大力支持下，以及伴随新能源、智能制造、人工智能、5G通信等现代产业兴起所带来的庞大市场需求的推动下，一大批行业龙头企业近年来纷纷展开大规模投资，以期赢得发展先机。目前国内厂商在第三代半导体有全产业链的布局，产业已呈现快速发展势头。

夯实第三代半导体产业基础

虽然第三代半导体有着诸多优异的性能，但它也不是“万用神丹”。例如，智能手机中的处理器、电脑中的CPU等，从目前看不太有可能换为第三代半导体材料，至少在相当长的时间里第三代半导体还不可能完全取代前两代。

第三代半导体是以宽禁带为标志，决定了它的制造难度不可能比前两代低，暂且不说它能否制成各种功能的替代芯片，就是生产同样功能的器件，第三代半导体对制造工艺和设备的要求也不可能更低，成本也难以更低。

第三代半导体无论是单晶生长、外延层生长还是器件制造，目前处于领先地位仍是美国、欧洲、日本。况且许多基础的半导体工艺技术是相通的，无论哪一代半导体都需要，而在这些基础方面人家比我们强，想跳过或绕过这些薄弱点弯道超车或换道超车，是不太现实且有风险的。产业的发展有其自然规律，我们可以通过政策、资金等推动加快发展，而不应是光想着跳过、绕过或其他取巧的方式。要改变我们在半导体芯片方面的被动局面，光靠第三代半导体是不够的，更不是一朝一夕就能实现的，需要上游的材料和设备，中游的芯片设计、制造和封测，下游的应用等全产业链较长时期的共同努力，补上我们在半导体基础技术、工艺、设备等方面的短板，夯实基础，才有可能实现在第三代半导体突破性发展。（厦门市老科协 供稿）

---