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二十一世紀(jì)以來(lái)，以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）、氧化鋅(ZnO)、金剛石為四大代表的第三代半導(dǎo)體材料開(kāi)始初露頭角。 

什么是第三代半導(dǎo)體

所謂第三代半導(dǎo)體材料是以SiC(碳化硅)、GaN(氮化鎵)為代表(還包括ZnO氧化鋅、GaO氧化鎵、金剛石等)的化合物半導(dǎo)體。與第一代和第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率、更大的電子飽和速度以及更高的抗輻射能力，更適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。

不同半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程

第一代半導(dǎo)體主要有硅和鍺，由于硅的自然儲(chǔ)量大、制備工藝簡(jiǎn)單，硅成為制造半導(dǎo)體產(chǎn)品的主要原材料，廣泛應(yīng)用于集成電路等低壓、低頻、低功率場(chǎng)景。但是，第一代半導(dǎo)體材料難以滿足高功率及高頻器件需求。

砷化鎵是第二代半導(dǎo)體材料的代表，較高的電子遷移率使其應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域，是制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管和通信器件的核心材料。但砷化鎵材料的禁帶寬度較小、擊穿電場(chǎng)低且具有毒性，無(wú)法在高溫、高頻、高功率器件領(lǐng)域推廣。

第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅、氮化鎵為代表，與前兩代半導(dǎo)體材料相比最大的優(yōu)勢(shì)是較寬的禁帶寬度，保證了其可擊穿更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，適合制備耐高壓、高頻的功率器件，是電動(dòng)汽車、5G 基站、衛(wèi)星等新興領(lǐng)域的理想材料。

性能優(yōu)異，第三代半導(dǎo)體成為先進(jìn)生產(chǎn)力代表

第三代半導(dǎo)體材料主要有三個(gè)優(yōu)勢(shì)：

一是速度更快，有助于提高芯片性能。第三代半導(dǎo)體采用寬禁帶材料，關(guān)斷時(shí)候的漏電電流更小，導(dǎo)通時(shí)候的導(dǎo)通阻抗更小，且寄生電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于硅工藝材料，所以芯片運(yùn)行速度更快，功耗消耗更低，待機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)。第三代半導(dǎo)體可以用較大的工藝節(jié)點(diǎn)達(dá)到硅材料先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的部分性能。

二是能量轉(zhuǎn)換效率高，功率損耗小。以新能源汽車為例，相比用傳統(tǒng)硅芯片（如IGBT）驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車，用第三代半導(dǎo)體材料芯片驅(qū)動(dòng)的新能源汽車的能量耗損低5倍左右，由此大幅增加續(xù)航里程。從節(jié)能的角度考慮，一個(gè)大型數(shù)據(jù)中心機(jī)房一年的耗電相當(dāng)于一個(gè)中等城市的用電量，如果采用第三代半導(dǎo)體芯片來(lái)控制電源，相比傳統(tǒng)的硅芯片，將能省下大量電力。

三是可以承受更大的功率和更高的電壓。第三代半導(dǎo)體可大幅提高產(chǎn)品的功率密度，適應(yīng)更高功率、更高電壓、更大電流的未來(lái)電動(dòng)車的需要?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，新能源汽車、5G、人工智能及超大數(shù)據(jù)中心等新應(yīng)用場(chǎng)景的打開(kāi)，將給第三代半導(dǎo)體帶來(lái)巨大的發(fā)展空間，催生上萬(wàn)億元的潛在市場(chǎng)。更為重要的是，第三代半導(dǎo)體未來(lái)將在幫助人類普及新興能源、發(fā)展清潔能源、實(shí)現(xiàn)碳中和這一目標(biāo)中發(fā)揮重大作用。

第三代半導(dǎo)體應(yīng)用場(chǎng)景根據(jù)產(chǎn)品類型劃分：

1、射頻器件：射頻器件是在無(wú)線通信領(lǐng)域負(fù)責(zé)信號(hào)轉(zhuǎn)換的部件，如功率放大器、射頻開(kāi)關(guān)、濾波器、低噪聲放大器等。碳化硅基氮化鎵射頻器件具有熱導(dǎo)率高、高頻率、高功率等優(yōu)點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的硅基 LDMOS 器件，其可以更好地適應(yīng) 5G 通信基站、雷達(dá)應(yīng)用等領(lǐng)域低能耗、高效率要求。

2、功率器件：又稱電力電子器件，主要應(yīng)用于電力設(shè)備電能變換和控制電路方面的大功率電子器件，有功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT 等。碳化硅基碳化硅器件在 1000V 以上的中高壓領(lǐng)域有深遠(yuǎn)影響，主要應(yīng)用領(lǐng)域有電動(dòng)汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等。

3、新能源汽車：電動(dòng)汽車系統(tǒng)涉及功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件有電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)（On-board charger，OBC）、車載 DC/DC 及非車載充電樁。其中，電動(dòng)車逆變器市場(chǎng)碳化硅功率器件應(yīng)用最多，碳化硅模塊的使用使得整車的能耗更低、尺寸更小、行駛里程更長(zhǎng)。目前，國(guó)內(nèi)外車企均積極布局碳化硅器件應(yīng)用，以優(yōu)化電動(dòng)汽車性能，特斯拉、比亞迪、豐田等車企均開(kāi)始采用碳化硅器件。隨著碳化硅功率器件的生產(chǎn)成本降低，碳化硅在充電樁領(lǐng)域的應(yīng)用也將逐步深入。

4、光伏發(fā)電：目前，光伏逆變器龍頭企業(yè)已采用碳化硅 MOSFET 功率器件替代硅器件。根據(jù)中商情報(bào)網(wǎng)數(shù)據(jù)，使用碳化硅功率器件可使轉(zhuǎn)換效率從 96%提高至 99%以上，能量損耗降低 50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升 50 倍，從而帶來(lái)成本低、效能高的好處。

5、智能電網(wǎng)：國(guó)家大力發(fā)展新基建，特高壓輸電工程對(duì)碳化硅功率器件具有重大需求。其在智能電網(wǎng)中的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括：高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器、電力電子變壓器等裝置。相比其他電力電子裝置，電力系統(tǒng)要求更高的電壓、更大的功率容量和更高的可靠性，碳化硅器件突破了硅基功率半導(dǎo)體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的限制所導(dǎo)致的系統(tǒng)局限性，并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在固態(tài)變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統(tǒng)等應(yīng)用方面推動(dòng)智能電網(wǎng)的發(fā)展和變革。

6、軌道交通：軌道交通對(duì)其牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機(jī)等裝置

7、射頻通信：碳化硅基氮化鎵射頻器件同時(shí)具備碳化硅的高導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足 5G 通訊對(duì)高頻性能和高功率處理能力的要求，逐步成為 5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技術(shù)路線。