第三代半導(dǎo)體是半導(dǎo)體材料發(fā)展的重要分支，其核心特征和應(yīng)用價(jià)值可概括如下：以?碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)?為核心，還包括氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)等寬禁帶材料。部分研究將氧化鎵(Ga?O?)和金剛石歸類為第四代半導(dǎo)體，因其超寬帶隙(4.2-4.9eV)特性。并非完全取代第一代(硅、鍺)和第二代(砷化鎵、磷化銦)半導(dǎo)體，而是針對(duì)?高壓、高頻、高溫等特殊場(chǎng)景的補(bǔ)充?。

?寬禁帶寬度?：更高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，適合高壓環(huán)境(如智能電網(wǎng)、新能源汽車)。高熱導(dǎo)率與耐高溫?：可在200℃以上穩(wěn)定工作，適用于航空航天、深空裝備。?高頻性能?：電子飽和漂移速率高，適合5G通信、射頻器件。

?新能源與電力電子?：新能源汽車電機(jī)控制器、光伏逆變器(SiC器件可提升能效10%以上)。?通信技術(shù)?：5G基站射頻前端(GaN器件支持更高頻率)。國(guó)防與航天?：抗輻射能力強(qiáng)的特性適用于衛(wèi)星和雷達(dá)系統(tǒng)。

?中國(guó)?：LED照明領(lǐng)域全球領(lǐng)先，但電力電子和射頻器件仍落后國(guó)際先進(jìn)水平;深圳、大灣區(qū)聚焦下游應(yīng)用，如重投天科碳化硅生產(chǎn)基地。?歐美日?：美國(guó)通過《芯片法案》支持SiC產(chǎn)能擴(kuò)張;歐盟推進(jìn)“LASTPOWER”項(xiàng)目;日本布局氧化鎵等第四代材料。?總結(jié)?：第三代半導(dǎo)體通過材料創(chuàng)新填補(bǔ)了傳統(tǒng)半導(dǎo)體的性能局限，是未來高功率、高頻率技術(shù)的核心基礎(chǔ)。

第三代是指半導(dǎo)體材料的變化，從第一代、第二代過渡到第三代。

第一代半導(dǎo)體材料是以硅(Si)和鍺(Ge)為代表，目前大部分半導(dǎo)體是基于硅基的。

第二代半導(dǎo)體材料是以砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)為代表，是 4G 時(shí)代的大部分通信設(shè)備的材料。

第三代半導(dǎo)體材料以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化鋅(ZnO)、金剛石為四大代表，是5G時(shí)代的主要材料。

相較于第一、二代半導(dǎo)體，第三代半導(dǎo)體具有更高的禁帶寬度、高擊穿電壓、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，在高溫、高壓、高功率和高頻領(lǐng)域?qū)⑻娲皟纱雽?dǎo)體材料。

換個(gè)說法，也就是第三代半導(dǎo)體具有耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻射、導(dǎo)電性能強(qiáng)、工作速度快、工作損耗低等性能優(yōu)勢(shì)。

從材料分類看， 第三代半導(dǎo)體材料主要有四類：

1)III族氮化物，典型代表GaN，在軍事領(lǐng)域GaN 基微波功率器用于雷達(dá)、電子對(duì)抗、導(dǎo)彈和無線通信通;在民用商業(yè)領(lǐng)域用于基站、衛(wèi)星通信、有線電視、手機(jī)充電器等小家電。

2)SiC，民用領(lǐng)域電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子、新能源、軌道交通等領(lǐng)域的直流、交流輸變電、溫度檢測(cè)控制等。軍用領(lǐng)域用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、坦克發(fā)動(dòng)機(jī)、艦艇發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)洞、航天器外殼的溫度、壓力測(cè)試等。

3)寬禁帶氧化物，典型代表氧化鋅 ZnO，用于壓力傳感器、記憶存儲(chǔ)器、柔性電子器件，目前技術(shù)和應(yīng)用不成熟，主要產(chǎn)品有發(fā)光二極管、激光、納米發(fā)電機(jī)、納米線晶體管、紫外探測(cè)器等。

4)金剛石，用于光電子、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、核能等領(lǐng)域的大功率紅外激光器探測(cè)器，技術(shù)和應(yīng)用還在開發(fā)中。

從應(yīng)用領(lǐng)域看，第三代半導(dǎo)體主要有三個(gè)應(yīng)用方向：

一是光電子領(lǐng)域，主要應(yīng)用于激光顯示、環(huán)境檢測(cè)、紫外光源、半導(dǎo)體照明、可見光通信、醫(yī)療健康等;

二是電力電子領(lǐng)域，主要應(yīng)用于工業(yè)機(jī)電、新能源并網(wǎng)、軌道交通、電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)、消費(fèi)電子等;

三是微波射頻領(lǐng)域，主要是在遙感、雷達(dá)、衛(wèi)星通訊、移動(dòng)基站等。

為了更直觀地理解，我們可以將自己想象成電子，而軌道則類似于地鐵線路。這些線路在某些地方會(huì)發(fā)生交疊，并設(shè)立了換乘站點(diǎn)，使得我們能夠在不同的線路間靈活轉(zhuǎn)換。電子的共有化運(yùn)動(dòng)與此類似，它們能夠通過這種轉(zhuǎn)換機(jī)制在晶體中自由移動(dòng)。

值得注意的是，在其他原子的作用下，能級(jí)會(huì)分裂成能帶。當(dāng)原子以周期性方式排列形成晶體時(shí)，每個(gè)能級(jí)都會(huì)分裂成許多彼此接近的能級(jí)，這些能級(jí)共同構(gòu)成了能帶。內(nèi)層的電子由于其共有化運(yùn)動(dòng)較弱，所以能級(jí)分裂較小，能帶相對(duì)較窄;而外殼層的電子由于其共有化運(yùn)動(dòng)顯著，因此能級(jí)分裂較大，能帶也相應(yīng)地更寬。

在深入理解能帶結(jié)構(gòu)后，價(jià)帶，是在0K條件下被電子填滿的、能量最高的能帶;而導(dǎo)帶，則是0K時(shí)未被電子占據(jù)的、能量最低的能帶。禁帶，則位于導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間，其寬度代表了導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的能量差異。半導(dǎo)體與絕緣體之間的核心區(qū)別——禁帶寬度。在第三代半導(dǎo)體的概念中，“寬禁帶”特指那些具有較寬禁帶寬度的半導(dǎo)體材料。

以跨欄運(yùn)動(dòng)為例，欄架高度適中，厚度較小，運(yùn)動(dòng)員能輕松跨過。但若將欄架替換為高至3米的磚墻，且厚度大幅增加，則運(yùn)動(dòng)員難以跨越。同樣地，在半導(dǎo)體與絕緣體之間，也存在一個(gè)類似于“欄架與墻”的界限。半導(dǎo)體的禁帶寬度適中，使得電子能夠輕松跨越;而絕緣體的禁帶則如同高墻，電子難以逾越。值得注意的是，禁帶寬度并非固定不變，它受到溫度、摻雜等因素的影響。

現(xiàn)在，我們進(jìn)一步探討半導(dǎo)體的特性與職責(zé)。一個(gè)理想的半導(dǎo)體應(yīng)具備可選擇性，即在外加電壓時(shí)導(dǎo)通，無電壓時(shí)關(guān)閉。然而，如果半導(dǎo)體始終保持導(dǎo)通狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)，那么它就失去了半導(dǎo)體的基本特性。

接下來，我們討論寬禁帶半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)。寬禁帶半導(dǎo)體材料在電子設(shè)備中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。電子的定向移動(dòng)形成電流，就像運(yùn)動(dòng)員跨過障礙物一樣。寬禁帶為電子提供了更多的能量，使其能夠更高效地完成工作。因此，在選擇半導(dǎo)體材料時(shí)，針對(duì)特定應(yīng)用挑選合適的“禁帶寬度”至關(guān)重要。

以金剛石為例，其禁帶寬度高達(dá)5.5eV，遠(yuǎn)超出Ge(0.67eV)、Si(1.12eV)和GaAs(1.43ev)等常規(guī)材料。這一特性使得金剛石器件能夠在700-1000度的高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，展現(xiàn)出卓越的抗輻射能力，同時(shí)顯著提升了器件的雪崩擊穿電壓。此外，禁帶寬度還與場(chǎng)效應(yīng)管的溝道導(dǎo)通電阻緊密相關(guān)，禁帶越寬，相應(yīng)器件的導(dǎo)通電阻則越低。

金剛石不僅禁帶寬度出眾，其熱導(dǎo)率也相當(dāng)可觀，使得由金剛石制成的器件散熱性能上佳。同時(shí)，金剛石的介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)V/cm，這一特性進(jìn)一步提升了器件的最高工作溫度和功率容量。

另外，金剛石的介電常數(shù)相對(duì)較低，這一特點(diǎn)會(huì)直接影響器件的阻抗，進(jìn)而有助于提高器件的工作頻率。

在砷化鎵元器件領(lǐng)域，歐美廠商占據(jù)主導(dǎo)地位。其中，Skyworks(思佳訊)以30.7%的市場(chǎng)份額位居榜首，Qorvo(科沃，由RFMD和TriQuint合并而成)和Avago(安華高，已被博通收購)分別以28%和未知份額緊隨其后。值得注意的是，這三家領(lǐng)先企業(yè)均來自美國(guó)。這進(jìn)一步印證了在砷化鎵的三大關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)——晶圓制造、晶圓制造代工以及核心元器件——?dú)W美、日本和臺(tái)灣廠商目前仍占據(jù)主導(dǎo)地位。相較之下，中國(guó)企業(yè)在這些環(huán)節(jié)中的影響力尚待提升。然而，已有一些積極的跡象表明中國(guó)正在努力突破這一現(xiàn)狀。例如，華為已經(jīng)成功研發(fā)出手機(jī)射頻關(guān)鍵部件PA，并轉(zhuǎn)單給三安光電進(jìn)行代工生產(chǎn)。

三、中國(guó)在第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的追趕與超越機(jī)會(huì)

第三代半導(dǎo)體材料，以氮化鎵和碳化硅為代表，自本世紀(jì)初發(fā)明并實(shí)用化以來，各國(guó)研究水平相對(duì)接近。國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界和專家普遍認(rèn)為，這一材料領(lǐng)域?yàn)槲覀償[脫集成電路(芯片)的被動(dòng)局面、實(shí)現(xiàn)芯片技術(shù)的追趕與超越提供了寶貴機(jī)會(huì)。

借鑒汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式，中國(guó)在新能源汽車的推動(dòng)下，成功拉近了與美、歐、日等汽車強(qiáng)國(guó)的差距，并在某些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了彎道超車。同樣，三代半材料憑借其出色的性能和廣泛的未來應(yīng)用，為我們提供了實(shí)現(xiàn)技術(shù)趕超與超越的可能。