什么是第三代半导体材料？

第三代是指半导体材料的迭代变化，从第一代、第二代过渡到第三代。第一代半导体材料主要是指以Si、Ge元素为主的半导体，它们是半导体分立器件、集成电路和太阳能电池的基础材料，但是硅基芯片经过长期发展，已经正在逐渐接近材料的极限，硅基器件性能提高的潜力也越来越小。

第二代半导体材料主要是指如砷化镓、锑化铟等化合物半导体材料，其中以砷化镓（GaAs）为代表，砷化镓拥有一些比硅更好的电子特性，可以用在高于250GHz的场合，并且砷化镓比同样的硅基器件更适合运用在高功率的场合，可以运用在卫星通讯、雷达系统等地方。

第三代半导体材料以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）、金刚石等宽禁带物质为代表。事实上，三代半导体材料之间的主要区别就是禁带宽度。现代物理学描述材料导电特性的主流理论是能带理论，能带理论认为晶体中电子的能级可划分为导带和价带，价带被电子填满且导带上无电子时，晶体不导电。

当晶体受到外界能量激发（如高压），电子被激发到导带，晶体导电，此时晶体被击穿，器件失效，禁带宽度代表了器件的耐高压能力。跟前两代相比，第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍，具有更强的耐高压、高功率能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。

第三代半导体材料以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）、金刚石为代表，是5G时代的主要材料，其中氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）的市场和发展空间最大。根据Omdia的《2020年SiC和GaN功率半导体报告》，到2020年底，全球SiC和GaN功率半导体的销售收入预计8.54亿美元。未来十年年均两位数增长率，到2029年将超过50亿美元。

展开来看，在军事领域，GaN可用于雷达、电子对抗、导弹和无线通信通，碳化硅（SiC）主要用于喷气发动机、坦克发动机、舰艇发动机；在民用商业领域，氮化镓（GaN）用于基站、卫星通信、有线电视、手机充电器等小家电，而碳化硅（SiC）主要用于电动汽车、消费电子、新能源、轨道交通等。

实际上，氮化镓（GaN）技术并不是一种新的半导体技术，自1990年起就已经常被用在发光二极管中，但成本昂贵。从制造工艺上来说，氮化镓没有液态，不能使用单晶硅生产工艺的传统直拉法拉出单晶，需要纯靠气体反应合成，而氮气性质非常稳定，镓又是非常稀有的金属（镓是伴生矿，没有形成集中的镓矿，主要从铝土矿中提炼，成本比较高），而且两者反应时间长，速度慢，反应产生的副产物多。生产氮化镓对设备要求又苛刻，技术复杂，产能极低，众多因素叠加影响导致氮化镓单晶材料很贵。