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 。

无论是芯片供应链的安危，还是5G时代的到来，这些热门话题显示我们的生活与信息化时代的紧密联系。众所周知，由高纯硅制造的晶圆堪称半导体行业的基石，是信息化时代不可或缺的核心材料。而鲜为人知的是，在20世纪五六十年代，中国科研人员曾依靠自身力量成功研制出高纯度的硅单晶，此举不但打破美苏垄断，还奠定了中国现代电子产业的基础。

外行人组成的“游击队”

1957年，世界第一块集成电路在美国问世，半导体技术很快在许多领域得到应用。与此同时，一股与西方竞赛的硅研究热在中国科技界也悄然兴起。1958年9月，天津市公安局决定在玛钢厂成立“601试验所”（中国电科46所前身），研制小型发报机、步话机等。试验所成立后，首先成立化学提纯组，开始从石英石中制备硅的实验研究。

但如何熔炼出高纯度的硅单晶，当时没有任何进展。为此，601试验所决定成立“物理提纯组”。担任组长的是28岁的丁守谦，他毕业于北京大学物理系电子光学专业，也是苏联专家谢尔曼培养的中国首批10名电子光学研究生之一。组员张少华，原天津一所中学物理教师；蔡载熙，28岁，从事原子核辐射方面研究；靳健，26岁，从事宇宙射线研究；李性涵，原天津某电池厂厂长，近60岁；雷衍夏，北京大学物理系毕业，热衷理论物理；胡勇飞，天津大学物理系毕业生。这样一支没有一个是学半导体专业的“游击队”，能行吗？

物理提纯组成立时，只有几间平房，不仅没有设备，更缺少技术资料。千辛万苦找到的一本俄文版《半导体冶金学》，令大家如获至宝。从这仅有的一点材料中，他们了解到晶体硅的熔点：1414摄氏度。它的熔点不但极高，而且化学性质极为活泼。该怎么办呢？

当时没有设备，只有一台废旧的高压变电器。李性涵提议用高压打火花的办法，产生高频震荡，感应石墨容器产生高温。在几个月的摸索后，总算达到了指定温度，硅粉也被熔炼成硅块，大家都很高兴。可随后大家才发现，这种方法结成的只是“碳化硅”，根本不是半导体材料需要的硅单晶。

“只能成功不能失败”的实验

所有人不得不重新在国外文献中寻找零星的线索。经过“大海捞针”般的寻找，终于发现硅单晶需要用专门的硅单晶炉进行拉制，但硅单晶炉究竟是什么模样，文献里没提。后来，物理提纯组听说北京有色金属冶金院有可以拉锗单晶的设备，原理与制造硅单晶相似。于是技术厂长宛吉春派出丁守谦前去“取经”。丁守谦后来回忆说，真是不看不知道，原来实物远比文献上介绍的要复杂得多。丁守谦一路上瞪大眼睛，努力记住每一个细节。根据他的记忆和大家的修改意见，不到半个月，一台拉硅单晶的自制炉居然由图纸变成了实物。

可真正轮到实验时，问题都接踵而至。硅加热到超过1400度的熔点时，整个炉壁都热得烫手，这可是锗单晶炉（锗的熔点为960度）不会遇到的麻烦。他们赶紧给炉外壳加了个水冷套。同时，单晶炉内还需要一种保护气体。到哪儿去找合适的惰性气体呢？他们又不得不自力更生搞了一套真空系统，才解决了硅的氧化问题。

硅单晶炉制成后，剩下的最大难题就是火候的掌握和提拉的速度了。蔡载熙、靳健和张少华等用其他材料代替硅进行了上百次的实验和演练。一切准备就绪后，终于要正式拉制硅单晶了。

实验需要用到费尽周折从苏联购来的一小块籽晶。这是唯一一小块籽晶！它意味着实验只能成功，不能失败！

1959年9月14日晚9时许，实验开始。全体人员围聚在自制的硅单晶炉旁。然而好事多磨，就在坩埚内的硅溶液还剩1/3的时候，马达突然出现故障。大家赶紧采取人工马达的方法，但坚持了一会儿就不行了，实验被迫中断。

这场半途终止的实验让所有人的心都悬了起来——它能成功吗？当只结晶了2/3、约有拇指般大小的晶体被取出时，大家的眼睛顿时亮了！只见这个晶体有棱有角，三个晶面闪闪发光！这就是人们梦寐以求的硅单晶！

经鉴定，我国第一颗硅单晶于1959年9月15日凌晨诞生！在不到一年的时间里，中国首颗硅单晶成功被研制出来，向新中国10年大庆献上厚礼！

“游击队打败正规军”

1960年3月，国家计委、冶金部正式批准在天津组建703厂（冶金部规定硅的代号为703）。当时硅单晶虽然拉制成功，但还需要进一步提纯。按照国外的科技资料，硅单晶的纯度起码要达到5个9（即99.999%）才能派上用场。可如何提纯？这又是一大难题，其难度还要远远超过拉制硅单晶本身。

经过仔细研究，大家决定用高频炉来试试。但一打听，现有高频炉的频率只有几百千赫，而熔化硅起码要几千千赫。怎么办？宛吉春当机立断：“管它行不行，先买它一台再说！”根据对无线电基本知识的了解，他们自己动手，对买回来的高频炉着手改装。

接下来的问题是电容如何解决。当时合适的电容器很难买到，还是只能自己动手。起先，他们试图用玻璃做绝缘介质，结果发现不行。后来，大家把实验室吃饭的大理石桌子拆了，用大理石桌面和铜片相叠，做成一个大电容。可电容打火问题解决了，但高频炉的电容还达不到要求。于是他们采用空气电容器，并仔细调节间距，仔细打磨表面防止火花，最终达到了技术要求。

1960年秋，他们将一根硅单晶棒一连扫描了17次后，纯度达到了7个9！赶在国庆11周年之际，他们又一次以优异成绩向祖国献上了一份厚礼。

1961年秋，由国防科委和国家科委联合举办的“全国硅材料研讨会”在北京召开。宛吉春带着纯度为7个9的硅单晶赴会。聂荣臻元帅闻知此事后笑着说：“这可是游击队打败了正规军！”

中科院半导体专家鉴定后认为，601试验所1960年的设备条件与产品纯度，已相当于美国1953年时的水平，技术差距缩小到7-8年！它使中国成为继美国和苏联之后，世界上又一个可以自己拉制硅单晶的国家，使中国在该领域一下站在与世界强国比肩的地步。

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