三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程

首先很必要掃盲。

先要給大家聲明一下“半導(dǎo)體”可不是收音機(jī)和隨身聽的簡(jiǎn)稱。從最初應(yīng)用算起，半導(dǎo)體材料已經(jīng)發(fā)展了三代，第一代是四五十年代開始以鍺、硅為代表的IV族半導(dǎo)體材料逐步發(fā)展起來(lái)，推動(dòng)人類進(jìn)入電子時(shí)代晶體管收音機(jī)就是那個(gè)時(shí)代的產(chǎn)物。

到了上個(gè)世紀(jì)六七十年代，III-V族半導(dǎo)體的發(fā)展開辟了光電和微波應(yīng)用，與第一代半導(dǎo)體一起，將人類推進(jìn)了信息時(shí)代。八十年代開始，以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，開辟了人類資源和能源節(jié)約型社會(huì)的新發(fā)展，催生了新型照明、顯示、光生物等等新的應(yīng)用需求和產(chǎn)業(yè)。

其實(shí)這些東西的真正應(yīng)用大約都經(jīng)歷了十幾年乃至二十年的培育期，所以大家對(duì)于半導(dǎo)體材料的首先要有耐心，沒有耐心的人看到這里就可以去追劇了，不必在這里浪費(fèi)生命了。但是我要提醒你，你將失去參與改變?nèi)祟悮v史的機(jī)會(huì)！雖然你的離開從某種程度上也是改變了歷史。

這里要特別說(shuō)明一下氮化鎵GaN材料。

鎵是地球上存在的一種貴金屬材料，大約排名第十左右，中國(guó)儲(chǔ)量全球第一。作為三代半導(dǎo)體材料當(dāng)家花旦的氮化鎵,近二十年來(lái)，由于LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展推動(dòng)，已成為三代半導(dǎo)體材料中的核心材料，在光電子方向LED從無(wú)到有，快速發(fā)展，直至現(xiàn)在發(fā)展到千億美元的規(guī)模，是一個(gè)新材料開發(fā)推動(dòng)社會(huì)變革的典范。

另一個(gè)有實(shí)力的材料碳化硅材料的開發(fā)早在七十年代就有了，最近二十年，在材料質(zhì)量和制備方法上有了突破，逐步進(jìn)入了市場(chǎng)。在2001年，碳化硅二極管被開發(fā)出來(lái)之后，材料質(zhì)量逐步完善，器件性能和可靠性也在逐步改善。到目前為止，碳化硅的二極管以其優(yōu)異的性能和使用過(guò)程中展現(xiàn)的可靠性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在很多場(chǎng)合。

氮化鎵GaN和碳化硅同屬于第三代半導(dǎo)體材料。為了區(qū)別于氮化鎵已經(jīng)形成的LED產(chǎn)業(yè)，在產(chǎn)業(yè)中有人用第三代半導(dǎo)體指代除LED之外的第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用（可憐的LED被第三代半導(dǎo)體除名了，誰(shuí)讓你總是光芒四射呢，當(dāng)然我們也可以理解為人家自立門戶去了，反正當(dāng)今LED主要的產(chǎn)業(yè)聚集在中國(guó),世界LED聯(lián)盟的主席是中國(guó)人）。除了，氮化鎵和碳化硅，第三代半導(dǎo)體材料還包含ZnO，GaO氧化鎵等。

既然LED已經(jīng)離三代半導(dǎo)體陣營(yíng)而去了，我們?cè)谶@里就不再敘述了，如果哪天大家有興趣，我可以抽時(shí)間把中國(guó)近15年的發(fā)展史給大家專門奉上。那其中的諸侯紛爭(zhēng)絕對(duì)可以做一本中國(guó)半導(dǎo)體照明戰(zhàn)爭(zhēng)史。

第三代半導(dǎo)體能做啥？

以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體具備優(yōu)異的材料物理特性，為進(jìn)一步提升電力電子器件的性能提供了更大的空間。

下圖是Si、GaN、SiC以及GaAs材料基本物理性質(zhì)、以及多坐標(biāo)對(duì)比。如果你看不懂沒關(guān)系，這只是給大家分享一點(diǎn)直觀的數(shù)據(jù)。

表1， 三代四種半導(dǎo)體材料的基本物理參數(shù)

Si, GaAs和GaN三代半導(dǎo)體材料的多坐標(biāo)物理性能對(duì)比。

Si與GaN器件的電源系統(tǒng)效率比較。

看了上面的介紹，現(xiàn)在要講到關(guān)鍵問(wèn)題了，就是這玩意兒到底用在哪里？有什么優(yōu)勢(shì)呢？為什么政府、科研、產(chǎn)業(yè)、資本都對(duì)它趨之若鶩。

套用業(yè)界一位大咖的話說(shuō)，不論你們看重的是什么，政府首先看重的是節(jié)能。沒想到吧，似乎也只提高了3%-5%的效率，能節(jié)多少能呢？不過(guò)其實(shí)那只是一次轉(zhuǎn)換中節(jié)約比例。

設(shè)想我們?nèi)魏我粋€(gè)電子設(shè)備到最終實(shí)現(xiàn)功能，要經(jīng)過(guò)多少次這樣的轉(zhuǎn)化呢？“我覺得十次八次總要的吧。”“需要嗎？”“不需要嗎？”“需要嗎？”“不需要嗎？！”“我隨便說(shuō)出來(lái)大家探討而已……需要嗎？”這么算出來(lái)，估計(jì)只要你的體育老師的數(shù)學(xué)水平還可以的話，你應(yīng)該可以大概 知道系統(tǒng)節(jié)能比例可以高達(dá)15%以上。

然后才是高頻特性、高溫特性、高耐壓、高功率、小體積這些特性。每一個(gè)特性又對(duì)應(yīng)這無(wú)數(shù)種的應(yīng)用和排列組合方式。

下面該談應(yīng)用了。以下我講述的應(yīng)用僅僅是三代半導(dǎo)體應(yīng)用中能夠吸引眼球的的幾個(gè)方面，如果要全面的應(yīng)用介紹，麻煩大家自己百度一下類似的科普類好文，里面會(huì)有分類介紹。我這里講的全都是你心目中耳熟能詳而又高大尚的東西。

詳細(xì)應(yīng)用領(lǐng)域

我們先介紹體系，三代半可以應(yīng)用的領(lǐng)域可以分為射頻器件和電力電子器件兩類。說(shuō)白了就是一個(gè)是搞微波(不是微博哦)通訊類的，一個(gè)搞供電模塊的。我們按照這個(gè)分類給大家介紹幾個(gè)明星應(yīng)用：

（1）相控陣?yán)走_(dá)

沒錯(cuò)！就是這個(gè)老美引以為豪的東東，薩德我就不說(shuō)了，來(lái)氣。相控陣?yán)走_(dá)中就大量應(yīng)用了氮化鎵的射頻器件。軍工領(lǐng)域?qū)τ谌雽?dǎo)體的應(yīng)用層出不窮。包括氮化鎵和碳化硅的功率器件，未來(lái)也會(huì)發(fā)揮重要作用，這里面我就不多說(shuō)了，“國(guó)家機(jī)密，以人民的名義”。

（2）5G通訊

硅材料作為通訊材料的老大哥，干到現(xiàn)在，真是有些干不動(dòng)了，即便使出洪荒之力，也沒有辦法承擔(dān)5G通訊這么高的帶寬速度的重壓了。所以只有靠氮化鎵來(lái)完成了。美國(guó)Qorvo就是這個(gè)產(chǎn)業(yè)的先行者。

另外，目前國(guó)內(nèi)無(wú)論是華為、中興這樣的通訊企業(yè)，還是在這個(gè)行業(yè)蹲守苦干多年的專業(yè)射頻器件生產(chǎn)企業(yè)都盯住了這塊市場(chǎng)，可以預(yù)料在不久的未來(lái)，里面的廝殺將會(huì)達(dá)到白熱化，而市場(chǎng)利潤(rùn)空間很大，但巨頭、寡頭也很大。小伙伴們你們準(zhǔn)備好了嗎？順便弱弱的問(wèn)一句各位業(yè)界的CEO們：“如果華為準(zhǔn)備干這個(gè)器件，你怎么辦？”

（3）物聯(lián)網(wǎng)

馬云說(shuō)過(guò)：未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)會(huì)消失，物聯(lián)網(wǎng)會(huì)取而代之。真的是他說(shuō)的嗎？管他呢！反正物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)未來(lái)的熱點(diǎn)，正在向我們走來(lái)，這里面，將充斥著三代半導(dǎo)體的射頻和功率器件。

（4）電動(dòng)汽車

未來(lái)電動(dòng)汽車的動(dòng)力全要靠三代半導(dǎo)體的功率器件了，碳化硅、氮化鎵都會(huì)在電動(dòng)汽車?yán)镉泻艽蟮氖袌?chǎng)。僅功率器件一項(xiàng)，每輛車就會(huì)增加大約300美元的需求。

（5）機(jī)器人

我的天，你是要把未來(lái)世界都劃進(jìn)來(lái)嗎？可是事實(shí)就是未來(lái)的機(jī)器人必然需要節(jié)能、小型化、大功率、高反應(yīng)速度的三代半器件。無(wú)論工業(yè)機(jī)器人、家用機(jī)器人、還是無(wú)人機(jī)。都孕育著巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

（6）白色家電

雖然不是很高大上，但是白色家電的市場(chǎng)規(guī)模卻不容忽視，未來(lái)隨著智能家居技術(shù)的發(fā)展，白色家電和物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)以及可穿戴設(shè)備的融合，使得這個(gè)行業(yè)充滿了新的機(jī)會(huì)。

（7）互聯(lián)網(wǎng)

終于說(shuō)到互聯(lián)網(wǎng)了，這個(gè)時(shí)代如果一個(gè)產(chǎn)品不能和互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系在一起似乎就是一個(gè)沒有前途的產(chǎn)品。但是你有沒有想過(guò)互聯(lián)網(wǎng)是靠什么維持的呢？云計(jì)算、大數(shù)據(jù)如果沒有了三代半導(dǎo)體功率器件的支撐他們還能存在嗎？你知道在谷歌上搜索一個(gè)關(guān)鍵詞要花費(fèi)多少電力嗎？這些電力是被哪些器件供給那些有計(jì)算能力的機(jī)器的呢？

（8）新能源

各種新能源逆變器和輔助設(shè)備

（9）高鐵

央視報(bào)道的IGBT,號(hào)稱高鐵的中國(guó)芯。未來(lái)隨著三代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，硅的IGBT被替代的日子應(yīng)該不遠(yuǎn)了。

總之，三代半導(dǎo)體器件如同建筑行業(yè)的鋼筋水泥一樣，遍布在這個(gè)電力電子產(chǎn)品充斥的社會(huì)的每一個(gè)角落。嚴(yán)格的講，不是互聯(lián)網(wǎng)改變了世界，而是半導(dǎo)體改變了世界近幾十年的發(fā)展。但是這個(gè)產(chǎn)業(yè)的是否如同互聯(lián)網(wǎng)一樣光鮮亮麗呢？提到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，多數(shù)人都會(huì)表示：比較沉重。

國(guó)外的知名玩家

最后還是要介紹一下這個(gè)行業(yè)的生態(tài)浮世繪，都誰(shuí)在玩呢？傳統(tǒng)的功率器件國(guó)際上的巨頭是英飛凌。當(dāng)中也不乏各種日本企業(yè)和美國(guó)企業(yè)，大家有興趣可以看看下面的圖，不過(guò)2015年開始的這個(gè)行業(yè)各種并購(gòu)，這張圖已經(jīng)完全不能夠適應(yīng)當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展了。

但是三代半導(dǎo)體也是有自己的朋友圈的，由于國(guó)際巨頭對(duì)于硅器件市場(chǎng)的保護(hù)，這些大家伙們往往采用的技術(shù)上緊鑼密鼓，產(chǎn)品上按兵不動(dòng)的思路。誰(shuí)也不想用自己的刀割自己的把啊！況且，由于他們對(duì)于化合物半導(dǎo)體材料的技術(shù)儲(chǔ)備也不處于多么大的優(yōu)勢(shì)，所以三代半導(dǎo)體行業(yè)還涌現(xiàn)出了一些，后起之秀。其中也不乏來(lái)自中國(guó)的企業(yè)。

三代半導(dǎo)體的氮化鎵功率器件國(guó)際浮世繪是這樣的：

三代半導(dǎo)體碳化硅的國(guó)際浮世繪沒有找到，我也就不費(fèi)勁畫了，抱歉。三代半導(dǎo)體的射頻器件由于比較敏感，我也不敢在這里多說(shuō)了。但正如前面所說(shuō)，由RFMD和超群合并而成的美國(guó)Qorvo等公司，正是當(dāng)中的先行者。