三代半導體材料的發展歷程

首先很必要掃盲。

先要給大家聲明一下“半導體”可不是收音機和隨身聽的簡稱。從最初應用算起，半導體材料已經發展了三代，第一代是四五十年代開始以鍺、硅為代表的IV族半導體材料逐步發展起來，推動人類進入電子時代晶體管收音機就是那個時代的產物。

到了上個世紀六七十年代，III-V族半導體的發展開辟了光電和微波應用，與第一代半導體一起，將人類推進了信息時代。八十年代開始，以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為代表的第三代半導體材料的出現，開辟了人類資源和能源節約型社會的新發展，催生了新型照明、顯示、光生物等等新的應用需求和產業。

其實這些東西的真正應用大約都經歷了十幾年乃至二十年的培育期，所以大家對于半導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，不必在這里浪費生命了。但是我要提醒你，你將失去參與改變人類歷史的機會！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，中國儲量全球第一。作為三代半導體材料當家花旦的氮化鎵,近二十年來，由于LED照明產業的發展推動，已成為三代半導體材料中的核心材料，在光電子方向LED從無到有，快速發展，直至現在發展到千億美元的規模，是一個新材料開發推動社會變革的典范。

另一個有實力的材料碳化硅材料的開發早在七十年代就有了，最近二十年，在材料質量和制備方法上有了突破，逐步進入了市場。在2001年，碳化硅二極管被開發出來之后，材料質量逐步完善，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異的性能和使用過程中展現的可靠性，已經廣泛應用在很多場合。

氮化鎵GaN和碳化硅同屬于第三代半導體材料。為了區別于氮化鎵已經形成的LED產業，在產業中有人用第三代半導體指代除LED之外的第三代半導體材料應用（可憐的LED被第三代半導體除名了，誰讓你總是光芒四射呢，當然我們也可以理解為人家自立門戶去了，反正當今LED主要的產業聚集在中國,世界LED聯盟的主席是中國人）。除了，氮化鎵和碳化硅，第三代半導體材料還包含ZnO，GaO氧化鎵等。

既然LED已經離三代半導體陣營而去了，我們在這里就不再敘述了，如果哪天大家有興趣，我可以抽時間把中國近15年的發展史給大家專門奉上。那其中的諸侯紛爭絕對可以做一本中國半導體照明戰爭史。

第三代半導體能做啥？

以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導體具備優異的材料物理特性，為進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、以及多坐標對比。如果你看不懂沒關系，這只是給大家分享一點直觀的數據。

表1， 三代四種半導體材料的基本物理參數

Si, GaAs和GaN三代半導體材料的多坐標物理性能對比。

Si與GaN器件的電源系統效率比較。

看了上面的介紹，現在要講到關鍵問題了，就是這玩意兒到底用在哪里？有什么優勢呢？為什么政府、科研、產業、資本都對它趨之若鶩。

套用業界一位大咖的話說，不論你們看重的是什么，政府首先看重的是節能。沒想到吧，似乎也只提高了3%-5%的效率，能節多少能呢？不過其實那只是一次轉換中節約比例。

設想我們任何一個電子設備到最終實現功能，要經過多少次這樣的轉化呢？“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？！”“我隨便說出來大家探討而已……需要嗎？”這么算出來，估計只要你的體育老師的數學水平還可以的話，你應該可以大概 知道系統節能比例可以高達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。每一個特性又對應這無數種的應用和排列組合方式。

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

詳細應用領域

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

（1）相控陣雷達

沒錯！就是這個老美引以為豪的東東，薩德我就不說了，來氣。相控陣雷達中就大量應用了氮化鎵的射頻器件。軍工領域對于三代半導體的應用層出不窮。包括氮化鎵和碳化硅的功率器件，未來也會發揮重要作用，這里面我就不多說了，“國家機密，以人民的名義”。

（2）5G通訊

硅材料作為通訊材料的老大哥，干到現在，真是有些干不動了，即便使出洪荒之力，也沒有辦法承擔5G通訊這么高的帶寬速度的重壓了。所以只有靠氮化鎵來完成了。美國Qorvo就是這個產業的先行者。

另外，目前國內無論是華為、中興這樣的通訊企業，還是在這個行業蹲守苦干多年的專業射頻器件生產企業都盯住了這塊市場，可以預料在不久的未來，里面的廝殺將會達到白熱化，而市場利潤空間很大，但巨頭、寡頭也很大。小伙伴們你們準備好了嗎？順便弱弱的問一句各位業界的CEO們：“如果華為準備干這個器件，你怎么辦？”

（3）物聯網

馬云說過：未來互聯網會消失，物聯網會取而代之。真的是他說的嗎？管他呢！反正物聯網是一個未來的熱點，正在向我們走來，這里面，將充斥著三代半導體的射頻和功率器件。

（4）電動汽車

未來電動汽車的動力全要靠三代半導體的功率器件了，碳化硅、氮化鎵都會在電動汽車里有很大的市場。僅功率器件一項，每輛車就會增加大約300美元的需求。

（5）機器人

我的天，你是要把未來世界都劃進來嗎？可是事實就是未來的機器人必然需要節能、小型化、大功率、高反應速度的三代半器件。無論工業機器人、家用機器人、還是無人機。都孕育著巨大的市場機會。

（6）白色家電

雖然不是很高大上，但是白色家電的市場規模卻不容忽視，未來隨著智能家居技術的發展，白色家電和物聯網互聯網以及可穿戴設備的融合，使得這個行業充滿了新的機會。

（7）互聯網

終于說到互聯網了，這個時代如果一個產品不能和互聯網聯系在一起似乎就是一個沒有前途的產品。但是你有沒有想過互聯網是靠什么維持的呢？云計算、大數據如果沒有了三代半導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關鍵詞要花費多少電力嗎？這些電力是被哪些器件供給那些有計算能力的機器的呢？

（8）新能源

各種新能源逆變器和輔助設備

（9）高鐵

央視報道的IGBT,號稱高鐵的中國芯。未來隨著三代半導體技術的發展，硅的IGBT被替代的日子應該不遠了。

總之，三代半導體器件如同建筑行業的鋼筋水泥一樣，遍布在這個電力電子產品充斥的社會的每一個角落。嚴格的講，不是互聯網改變了世界，而是半導體改變了世界近幾十年的發展。但是這個產業的是否如同互聯網一樣光鮮亮麗呢？提到半導體產業，多數人都會表示：比較沉重。

國外的知名玩家

最后還是要介紹一下這個行業的生態浮世繪，都誰在玩呢？傳統的功率器件國際上的巨頭是英飛凌。當中也不乏各種日本企業和美國企業，大家有興趣可以看看下面的圖，不過2015年開始的這個行業各種并購，這張圖已經完全不能夠適應當今時代的發展了。

但是三代半導體也是有自己的朋友圈的，由于國際巨頭對于硅器件市場的保護，這些大家伙們往往采用的技術上緊鑼密鼓，產品上按兵不動的思路。誰也不想用自己的刀割自己的把啊！況且，由于他們對于化合物半導體材料的技術儲備也不處于多么大的優勢，所以三代半導體行業還涌現出了一些，后起之秀。其中也不乏來自中國的企業。

三代半導體的氮化鎵功率器件國際浮世繪是這樣的：

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