近年來，以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)寬禁帶化合物為代表的第三代半導體材料正憑借其優越的性能和巨大的市場前景，成為全球半導體市場爭奪的焦點。
如今，以第三代半導體材料為基礎的新興技術正迅速崛起。其技術及應用的突破成為全球半導體產業新的戰略高地，各國政府紛紛加緊在第三代半導體領域的部署。面對各方力量的蜂擁而至，第三代半導體材料究竟將掀起一場怎樣的技術革命？我國在布局第三代半導體領域又將面臨哪些突破和瓶頸？
第三代半導體材料優勢明顯
回顧半導體產業的發展歷程，其先后經歷了以硅(Si)為代表的第一代半導體材料，以砷化鎵(GaAs)為代表的第二代半導體材料，在上個世紀，這兩代半導體材料為工業進步、社會發展做出了巨大貢獻。而如今，以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅、金剛石、氮化鋁為代表的寬禁帶半導體材料被統稱為第三代半導體材料。
作為一類新型寬禁帶半導體材料，第三代半導體材料在許多應用領域擁有前兩代半導體材料無法比擬的優點：如具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點，可實現高壓、高溫、高頻、高抗輻射能力，被譽為固態光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”，是光電子和微電子等產業的“新發動機”。
從應用范圍來說，第三代半導體領域還具有學科交叉性強、應用領域廣、產業關聯性大等特點。在半導體照明、新一代移動通信、智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域擁有廣闊的應用前景，是支撐信息、能源、交通、國防等產業發展的重點新材料。
作為新一代半導體照明的關鍵器件，第三代半導體材料還具有廣泛的基礎性和重要的引領性。從目前第三代半導體材料和器件的研究來看，較為成熟的是氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）半導體材料，也是最具有發展前景的兩種材料。
與第一代半導體材料硅相比，碳化硅有諸多優點：有高10倍的電場強度，高3倍的熱導率，寬3倍禁帶寬度，高1倍的飽和漂移速度。因為這些特點，使其小至LED照明、家用電器、新能源汽車，大至軌道交通、智能電網、軍工航天都具備優勢，所以碳化硅市場被各產業界頗為看好。
而氮化鎵直接躍遷、高電子遷移率和飽和電子速率、成本更低的優點則使其擁有更快的研發速度。兩者的不同優勢決定了應用范圍上的差異，在光電領域，氮化鎵占絕對的主導地位，而在其他功率器件領域，碳化硅適用于1200V以上的高溫大電力領域，GaN則更適用900V以下的高頻小電力領域。可謂各有優勢。
有望全面取代傳統半導體
從應用領域來看，第一代半導體硅（Si），主要應用在數據運算領域，第二代半導體砷化鎵（GaAs），主要應用在通信領域，兩者都有一定的局限性，而第三代寬禁帶半導體碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），以其高溫下的穩定性、高效的光電轉化能力、更低的能量損耗等絕對優勢，可以被廣泛應用在各個領域，無論是消費電子設備、照明、新能源汽車、風力發電機、飛機發動機，還是導彈和衛星，都對這種高性能的半導體有著極大的期待，未來有望全面取代傳統半導體材料。
“第三代半導體材料已展現出極其重要的戰略性應用價值，有望突破第一、二代半導體材料應用技術的發展瓶頸，創新開拓時代需求的新技術領域，不僅在信息領域，而且進入到能源領域發揮極為重要的作用。”南京大學電子科學與工程學院鄭有炓院士曾指出。
如碳化硅（SiC）材料應用在高鐵領域，可節能20%以上，并減小電力系統體積；應用在新能源汽車領域，可降低能耗20%；應用在家電領域，可節能50%；應用在風力發電領域，可提高效率20%；應用在太陽能領域，可降低光電轉換損失25%以上……
“碳化硅器件在高溫、高壓、高頻、大功率器件以及航天、軍工、核能、新能源汽車、LED照明等領域有很強的優勢。”臺州市一能科技有限公司創始人張樂年談及半導體級碳化硅原料項目時說到。“作為科技部863計劃第三代半導體材料及應用的基礎原料，碳化硅原料的國產化，將加快碳化硅器件的普及，既節約60座以上核電站的電力以及減少10%以上石油消耗，又能夠使中國在價值4000億美元的第三代半導體產業中占據主導地位。”
另一種材料氮化鎵(GaN)，由于具備出色的擊穿能力、更高的電子密度及速度，和更高的工作溫度，也被廣泛應用于功率因數校正(PFC)、軟開關DC-DC等電源系統設計，以及電源適配器、光伏逆變器或太陽能逆變器、服務器及通信電源等終端領域。
GaN提供高電子遷移率，這意味著開關過程的反向恢復時間可忽略不計，因而表現出低損耗并提供高開關頻率，而低損耗加上寬禁帶器件的高結溫特性，可降低散熱量，高開關頻率可減少濾波器和無源器件如變壓器、電容、電感等的使用，最終減小系統尺寸和重量，提升功率密度，有助于設計人員實現緊湊的高能效電源方案。
機遇與挑戰并存
在巨大優勢和光明前景的刺激下，目前全球各國均在加大馬力布局第三代半導體領域，但我國在寬禁帶半導體產業化方面進度還比較緩慢，寬禁帶半導體技術亟待突破。
“最大的瓶頸是原材料。”中科院半導體研究所研究員、中國電子學會半導體與集成技術分會秘書長王曉亮認為，我國原材料的質量、制備問題亟待破解。此外，湖南大學應用物理系副教授曾健平也表示，目前我國對SiC晶元的制備尚為空缺，大多數設備靠國外進口。
“國內開展SiC、GaN材料和器件方面的研究工作比較晚，與國外相比水平較低，阻礙國內第三代半導體研究進展的重要因素是原始創新問題。”國家半導體照明工程研發及產業聯盟一專家表示，國內新材料領域的科研院所和相關生產企業大都急功近利，難以容忍長期“只投入，不產出”的現狀。因此，以第三代半導體材料為代表的新材料原始創新舉步維艱。
原始創新即從無到有的創新過程，其特點是投入大、周期長。以SiC為例，其具有寬的禁帶寬度、高的擊穿電場、高的熱導率、高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，非常適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。然而生長SiC晶體難度很大，雖然經過了數十年的研究發展，到目前為止仍只有美國的Cree公司、德國的SiCrystal公司和日本的新日鐵公司等少數幾家公司掌握了SiC的生長技術，能夠生產出較好的產品，但離真正的大規模產業化應用也還有較大的距離。因此，以第三代半導體材料為代表的新材料原始創新舉步維艱，是實現產業化的一大桎梏。
“第三代半導體對我們國家未來產業會產生非常大的影響，其應用技術的研究比較關鍵，若相關配套技術及產品跟不上，第三代半導體的材料及器件的作用和效率可能會發揮不好，所以要全產業鏈協同發展。”中興通訊副總裁晏文德表示。
是機遇也是挑戰。未來，我國第三代半導體產業將面臨許許多多的難題。就像北京大學寬禁帶半導體研發中心沈波教授所說，當前我國發展第三代半導體面臨的機遇非常好，因為過去十年，在半導體照明的驅動下，氮化鎵無論是材料和器件成熟度都已經大大提高，但第三代半導體在電力電子器件、射頻器件方面還有很長的路要走，市場和產業剛剛啟動，我們還面臨巨大挑戰，必須共同努力。
