第三代半導體是半導體材料發(fā)展的重要分支，其核心特征和應用價值可概括如下：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)半導體，而是針對?高壓、高頻、高溫等特殊場景的補充?。

?寬禁帶寬度?：更高的擊穿電場強度，適合高壓環(huán)境(如智能電網(wǎng)、新能源汽車)。高熱導率與耐高溫?：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?：新能源汽車電機控制器、光伏逆變器(SiC器件可提升能效10%以上)。?通信技術?：5G基站射頻前端(GaN器件支持更高頻率)。國防與航天?：抗輻射能力強的特性適用于衛(wèi)星和雷達系統(tǒng)。

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

第三代是指半導體材料的變化，從第一代、第二代過渡到第三代。

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

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

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

相較于第一、二代半導體，第三代半導體具有更高的禁帶寬度、高擊穿電壓、電導率和熱導率，在高溫、高壓、高功率和高頻領域將替代前兩代半導體材料。

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

從材料分類看， 第三代半導體材料主要有四類：

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

2)SiC，民用領域電動汽車、消費電子、新能源、軌道交通等領域的直流、交流輸變電、溫度檢測控制等。軍用領域用于噴氣發(fā)動機、坦克發(fā)動機、艦艇發(fā)動機、風洞、航天器外殼的溫度、壓力測試等。

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

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

從應用領域看，第三代半導體主要有三個應用方向：

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

二是電力電子領域，主要應用于工業(yè)機電、新能源并網(wǎng)、軌道交通、電動汽車、智能電網(wǎng)、消費電子等;

三是微波射頻領域，主要是在遙感、雷達、衛(wèi)星通訊、移動基站等。

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發(fā)生交疊，并設立了換乘站點，使得我們能夠在不同的線路間靈活轉換。電子的共有化運動與此類似，它們能夠通過這種轉換機制在晶體中自由移動。

值得注意的是，在其他原子的作用下，能級會分裂成能帶。當原子以周期性方式排列形成晶體時，每個能級都會分裂成許多彼此接近的能級，這些能級共同構成了能帶。內(nèi)層的電子由于其共有化運動較弱，所以能級分裂較小，能帶相對較窄;而外殼層的電子由于其共有化運動顯著，因此能級分裂較大，能帶也相應地更寬。

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

以跨欄運動為例，欄架高度適中，厚度較小，運動員能輕松跨過。但若將欄架替換為高至3米的磚墻，且厚度大幅增加，則運動員難以跨越。同樣地，在半導體與絕緣體之間，也存在一個類似于“欄架與墻”的界限。半導體的禁帶寬度適中，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，我們進一步探討半導體的特性與職責。一個理想的半導體應具備可選擇性，即在外加電壓時導通，無電壓時關閉。然而，如果半導體始終保持導通狀態(tài)或關閉狀態(tài)，那么它就失去了半導體的基本特性。

接下來，我們討論寬禁帶半導體的優(yōu)勢。寬禁帶半導體材料在電子設備中發(fā)揮著至關重要的作用。電子的定向移動形成電流，就像運動員跨過障礙物一樣。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，在選擇半導體材料時，針對特定應用挑選合適的“禁帶寬度”至關重要。

以金剛石為例，其禁帶寬度高達5.5eV，遠超出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，同時顯著提升了器件的雪崩擊穿電壓。此外，禁帶寬度還與場效應管的溝道導通電阻緊密相關，禁帶越寬，相應器件的導通電阻則越低。

金剛石不僅禁帶寬度出眾，其熱導率也相當可觀，使得由金剛石制成的器件散熱性能上佳。同時，金剛石的介質擊穿場強高達V/cm，這一特性進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)相對較低，這一特點會直接影響器件的阻抗，進而有助于提高器件的工作頻率。

在砷化鎵元器件領域，歐美廠商占據(jù)主導地位。其中，Skyworks(思佳訊)以30.7%的市場份額位居榜首，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，這三家領先企業(yè)均來自美國。這進一步印證了在砷化鎵的三大關鍵產(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——歐美、日本和臺灣廠商目前仍占據(jù)主導地位。相較之下，中國企業(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)出手機射頻關鍵部件PA，并轉單給三安光電進行代工生產(chǎn)。

三、中國在第三代半導體材料領域的追趕與超越機會

第三代半導體材料，以氮化鎵和碳化硅為代表，自本世紀初發(fā)明并實用化以來，各國研究水平相對接近。國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界和專家普遍認為，這一材料領域為我們擺脫集成電路(芯片)的被動局面、實現(xiàn)芯片技術的追趕與超越提供了寶貴機會。

借鑒汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式，中國在新能源汽車的推動下，成功拉近了與美、歐、日等汽車強國的差距，并在某些領域實現(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用，為我們提供了實現(xiàn)技術趕超與超越的可能。