近年来，以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)宽禁带化合物为代表的第三代半导体材料正凭借其优越的性能和巨大的市场前景，成为全球半导体市场争夺的焦点。

如今，以第三代半导体材料为基础的新兴技术正迅速崛起。其技术及应用的突破成为全球半导体产业新的战略高地，各国政府纷纷加紧在第三代半导体领域的部署。面对各方力量的蜂拥而至，第三代半导体材料究竟将掀起一场怎样的技术革命？我国在布局第三代半导体领域又将面临哪些突破和瓶颈？

第三代半导体材料优势明显

回顾半导体产业的发展历程，其先后经历了以硅(Si)为代表的第一代半导体材料，以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料，在上个世纪，这两代半导体材料为工业进步、社会发展做出了巨大贡献。而如今，以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌、金刚石、氮化铝为代表的宽禁带半导体材料被统称为第三代半导体材料。

作为一类新型宽禁带半导体材料，第三代半导体材料在许多应用领域拥有前两代半导体材料无法比拟的优点：如具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，可实现高压、高温、高频、高抗辐射能力，被誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”，是光电子和微电子等产业的“新发动机”。

从应用范围来说，第三代半导体领域还具有学科交叉性强、应用领域广、产业关联性大等特点。在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域拥有广阔的应用前景，是支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料。

作为新一代半导体照明的关键器件，第三代半导体材料还具有广泛的基础性和重要的引领性。从目前第三代半导体材料和器件的研究来看，较为成熟的是氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）半导体材料，也是最具有发展前景的两种材料。

与第一代半导体材料硅相比，碳化硅有诸多优点：有高10倍的电场强度，高3倍的热导率，宽3倍禁带宽度，高1倍的饱和漂移速度。因为这些特点，使其小至LED照明、家用电器、新能源汽车，大至轨道交通、智能电网、军工航天都具备优势，所以碳化硅市场被各产业界颇为看好。

而氮化镓直接跃迁、高电子迁移率和饱和电子速率、成本更低的优点则使其拥有更快的研发速度。两者的不同优势决定了应用范围上的差异，在光电领域，氮化镓占绝对的主导地位，而在其他功率器件领域，碳化硅适用于1200V以上的高温大电力领域，GaN则更适用900V以下的高频小电力领域。可谓各有优势。

有望全面取代传统半导体

从应用领域来看，第一代半导体硅（Si），主要应用在数据运算领域，第二代半导体砷化镓（GaAs），主要应用在通信领域，两者都有一定的局限性，而第三代宽禁带半导体碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），以其高温下的稳定性、高效的光电转化能力、更低的能量损耗等绝对优势，可以被广泛应用在各个领域，无论是消费电子设备、照明、新能源汽车、风力发电机、飞机发动机，还是导弹和卫星，都对这种高性能的半导体有着极大的期待，未来有望全面取代传统半导体材料。

“第三代半导体材料已展现出极其重要的战略性应用价值，有望突破第一、二代半导体材料应用技术的发展瓶颈，创新开拓时代需求的新技术领域，不仅在信息领域，而且进入到能源领域发挥极为重要的作用。”南京大学电子科学与工程学院郑有炓院士曾指出。

如碳化硅（SiC）材料应用在高铁领域，可节能20%以上，并减小电力系统体积；应用在新能源汽车领域，可降低能耗20%；应用在家电领域，可节能50%；应用在风力发电领域，可提高效率20%；应用在太阳能领域，可降低光电转换损失25%以上……

“碳化硅器件在高温、高压、高频、大功率器件以及航天、军工、核能、新能源汽车、LED照明等领域有很强的优势。”台州市一能科技有限公司创始人张乐年谈及半导体级碳化硅原料项目时说到。“作为科技部863计划第三代半导体材料及应用的基础原料，碳化硅原料的国产化，将加快碳化硅器件的普及，既节约60座以上核电站的电力以及减少10%以上石油消耗，又能够使中国在价值4000亿美元的第三代半导体产业中占据主导地位。”

另一种材料氮化镓(GaN)，由于具备出色的击穿能力、更高的电子密度及速度，和更高的工作温度，也被广泛应用于功率因数校正(PFC)、软开关DC-DC等电源系统设计，以及电源适配器、光伏逆变器或太阳能逆变器、服务器及通信电源等终端领域。

GaN提供高电子迁移率，这意味着开关过程的反向恢复时间可忽略不计，因而表现出低损耗并提供高开关频率，而低损耗加上宽禁带器件的高结温特性，可降低散热量，高开关频率可减少滤波器和无源器件如变压器、电容、电感等的使用，最终减小系统尺寸和重量，提升功率密度，有助于设计人员实现紧凑的高能效电源方案。

机遇与挑战并存

在巨大优势和光明前景的刺激下，目前全球各国均在加大马力布局第三代半导体领域，但我国在宽禁带半导体产业化方面进度还比较缓慢，宽禁带半导体技术亟待突破。

“最大的瓶颈是原材料。”中科院半导体研究所研究员、中国电子学会半导体与集成技术分会秘书长王晓亮认为，我国原材料的质量、制备问题亟待破解。此外，湖南大学应用物理系副教授曾健平也表示，目前我国对SiC晶元的制备尚为空缺，大多数设备靠国外进口。

“国内开展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比较晚，与国外相比水平较低，阻碍国内第三代半导体研究进展的重要因素是原始创新问题。”国家半导体照明工程研发及产业联盟一专家表示，国内新材料领域的科研院所和相关生产企业大都急功近利，难以容忍长期“只投入，不产出”的现状。因此，以第三代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰。

原始创新即从无到有的创新过程，其特点是投入大、周期长。以SiC为例，其具有宽的禁带宽度、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，非常适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。然而生长SiC晶体难度很大，虽然经过了数十年的研究发展，到目前为止仍只有美国的Cree公司、德国的SiCrystal公司和日本的新日铁公司等少数几家公司掌握了SiC的生长技术，能够生产出较好的产品，但离真正的大规模产业化应用也还有较大的距离。因此，以第三代半导体材料为代表的新材料原始创新举步维艰，是实现产业化的一大桎梏。

“第三代半导体对我们国家未来产业会产生非常大的影响，其应用技术的研究比较关键，若相关配套技术及产品跟不上，第三代半导体的材料及器件的作用和效率可能会发挥不好，所以要全产业链协同发展。”中兴通讯副总裁晏文德表示。

是机遇也是挑战。未来，我国第三代半导体产业将面临许许多多的难题。就像北京大学宽禁带半导体研发中心沈波教授所说，当前我国发展第三代半导体面临的机遇非常好，因为过去十年，在半导体照明的驱动下，氮化镓无论是材料和器件成熟度都已经大大提高，但第三代半导体在电力电子器件、射频器件方面还有很长的路要走，市场和产业刚刚启动，我们还面临巨大挑战，必须共同努力。