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 。

第三代半导体在制程前端（材料取得、基板、磊晶）难度较高，在中下游的IC设计、制造生产／封测等阶段，则基本上能建立在既有硅产业基础上。

至于IC设计环节上，第三代半导体的设计程序与第一代半导体无太大差异，需进行规格定义、制程选择、架构选择、电路设计、可靠性分析等过程。

本文说说碳化硅的那些事。 碳化硅材料的发展 历史 比较久远，1824年瑞典化学家Berzelius在人工生长金刚石的过程中发现了碳化硅SiC。1885年Acheson用焦炭和硅石的混合物以及一定量氯化钠在熔炉中高温加热，制备出了小尺寸碳化硅晶体，但存在大量缺陷。 碳化硅材料的应用始于20世纪初。1907年美国Round制造出第一个碳化硅发光二极管；1920年碳化硅单晶作为探测器用于早期的无线电接收机上。不过因为单晶生长难度较大，碳化硅在很长一段时间内没有很好的应用，到了1955年飞利浦发明了一种采用升华法制备高质量碳化硅的新方法即Lely法，碳化硅材料再次焕发生机。 七八十年代碳化硅的制备及应用实现重大突破。1978年前苏联科学家Tairov等人改良了Lely法，可以获得较大尺寸的碳化硅晶体。1979年第一个碳化硅发光二极管问世；1981年Matsunami发明了在硅衬底上生长碳化硅单晶的方法；1991年美国公司Cree采用升华法生长出碳化硅晶片并实现产业化。 目前碳化硅及其应用呈现出以下几个特点：第一是晶圆尺寸实现大尺寸化，Cree的6英寸碳化硅晶片实现产业化，并积极推进8英寸晶片的产业化。第二晶体缺陷密度不断下降，比如4英寸碳化硅单晶微管密度下降至0.1cm^-2以下，穿透性螺位错和基平面位错密度控制在10^2cm^-2。第三碳化硅基功率器件不断涌现，除了特斯拉和蔚来 汽车 在电动车上使用了SiC-MOSFET，还发展出了SBD、HMET等器件。当然第四点相比硅基半导体的奋起直追，中国在碳化硅第三代半导体上与国外发展水平基本持平，衬底方面天科合达等实现了4英寸的产业化和6英寸的技术突破，并积极向8英寸推进；山东天岳等公司拥有相应的外延生长技术。在器件制造上扬杰 科技 、士兰微等也积极推进碳化硅基功率半导体的产业化。 碳化硅材料的特性之一就是拥有超过200多种晶体结构，每一种结构对应的电学性能等存在一定差异。目前主要是六角4H、六角6H和菱方15R等，其中4H和6H实现产业化： 总体上相比氮化镓和硅等，碳化硅材料拥有最高的热导率、较高的带隙、电子迁移率和饱和电子速率等，可以制造能在高温、高压、更高功率和更高工作频率等情形下的器件。 在具体应用方面，碳化硅主要实现了以下应用：第一是碳化硅为衬底制备高亮度和超高亮度蓝绿InGaN铟镓氮LED；第二是实现了KV级高压MOSFET器件制造，比如罗姆半导体生产的1200V、35A的SiC-MOSFET；第三是用于300V到1200V甚至3300V等更高压的碳化硅基肖特基势垒管SBD的制造；第四是在半绝缘碳化硅衬底上制备氮化镓、铝镓氮AlGaN高电子迁移率晶体管HEMT；第五是在SiC-IGBT上有所突破，实现了P沟道IGBT的制造。 在碳化硅材料制备上，1955年飞利浦提出了Lely法，也称升华法。Lely法的基本原理是：在空心圆筒状石墨坩埚中（最外层石墨坩埚，内置多孔石墨环），将具有工业级纯度的碳化硅粉料投入坩埚与多孔石墨环之间加热到2500度，碳化硅在此温度下分解与升华，产生一系列气相物质比如硅单晶、Si2C和SiC2等。由于坩埚内壁与多孔石墨环之间存在温度梯度，这些气相物质在多孔石墨环内壁随机生成晶核。总的来说Lely法产率低，晶核难以控制，而且会形成不同结构，尺寸也有限制。 目前碳化硅材料制备多采用改进Lely法、高温CVD法和溶液法，其中以改进Lely法为主流。 改进Lely法也称物理气相传输法PVT，是前苏联科学家Tairov和Tsvetkov于1978年提出的。改进Lely法使用了工作频率10-100KHz的中频感应加热单晶炉，在生长过程中加入籽晶用于控制晶核和晶向： 在改进Lely法中碳化硅单晶生长主要经历低温高真空阶段、高压升温阶段、高压保温成核阶段、降压生长阶段、恒压恒温生长阶段和升压冷却阶段等六个阶段。当然在具体生长过程中，为了制备符合要求的碳化硅单晶，降低微管、位错密度等缺陷，会对籽晶的籽晶面等适当微调，在此不再展开。 碳化硅单晶有绝缘型、半绝缘型之分，按照掺杂类型还有P型掺杂和N型掺杂之分，无形中提升了碳化硅的制备难度。比如制备功率器件的是N型4H-SiC衬底，器件要求衬底电阻率小于20毫欧姆*厘米，制备低电阻率的N型4H-SiC常用高浓度N掺杂，但随着掺杂浓度提高，单晶中位错密度会升高。Kato等人提出的氮、铝共掺杂技术制备出了低电阻率的N型4H-SiC单晶，所用的单晶炉有两套加热系统，其中上部加热系统与普通Lely法相同，主要对SiC原料加热并为单晶生长提供合适的温度；下部加热系统为铝原料加热。这样通过对生长压力、温度等参数调整，可以实现有效的氮、铝共掺杂。 碳化硅的外延主要采用化学气相沉积CVD，以后再说。

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