第三代半导体的特点与选型要素

第三代半导体器件在方案设计和工程师选型中越来越重要，不再是隔水观望或锦上添花的初期时代。如果说砷化镓（GaAs）器件在通讯和PA的应用主要在手机和通讯设备，仅对头部通讯设备制造有关系。那么碳化硅（SiC）进入电源、快充和汽车电子的迅猛势头，与方案商和中小设备制造商就有重大关系。我们梳理一次第三代半导体和选型要领。

半导体材料可分为单质半导体及化合物半导体两类，前者如硅（Si）、锗(Ge）等所形成的半导体，后者为砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等化合物形成。半导体在过去主要经历了三代变化，砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）半导体分别作为第二代和第三代半导体的代表，相比第一代半导体高频性能、高温性能优异很多，制造成本更为高昂，可谓是半导体中的新贵。

第三代化合物半导体材料中，碳化硅（SiC）与方案商和中小设备终端制造商关系最大，它主要作为高功率半导体材料应用于电源，汽车以及工业电力电子，在大功率转换应用中具有巨大的优势。而砷化镓（GaAs）目前占大头市场，是最成熟的应用市场，主要用于通讯领域，全球市场容量接近百亿美元，主要受益通信射频芯片尤其是PA升级驱动；氮化镓（GaN）大功率、高频性能更出色，主要应用于军事领域，目前市场容量不到10亿美元，随着成本下降有望迎来广泛应用。

PART 01第三代半导体的特点

碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）——并称为第三代半导体材料的双雄。

相对于Si，SiC的优点很多：有10倍的电场强度，高3倍的热导率，宽3倍禁带宽度，高1倍的饱和漂移速度。因为这些特点，用SiC制作的器件可以用于极端的环境条件下。微波及高频和短波长器件是目前已经成熟的应用市场。42GHz频率的SiC MESFET用在军用相控阵雷达、通信广播系统中，用SiC作为衬底的高亮度蓝光LED是全彩色大面积显示屏的关键器件。

氮化镓（GaN、Galliumnitride）是氮和镓的化合物，此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。作为时下新兴的半导体工艺技术，提供超越硅的多种优势。与硅器件相比，GaN在电源转换效率和功率密度上实现了性能的飞跃。

PART 02第三代半导体选型要素

第三代半导体中，SiC 与 GaN 相比较，前者相对 GaN 发展更早一些，技术成熟度也更高一些；两者有一个很大的区别是热导率，这使得在高功率应用中，SiC占据统治地位；同时由于GaN具有更高的电子迁移率，因而能够比SiC 或Si 具有更高的开关速度，在高频率应用领域，GaN具备优势。

GaN和SiC在材料性能上各有优劣，因此在应用领域上各有侧重和互补。如GaN的高频Baliga优值显著高于SiC，因此GaN的优势在高频小电力领域，集中在1000V以下，例如通信基站、毫米波等。SiC的Keye优值显著高于GaN，因此SiC的优势在高温和1200V以上的大电力领域，包括电力、高铁、电动车、工业电机等。在中低频、中低功率领域，GaN和SiC都可以应用，与传统Si基器件竞争。

GaN的应用优势：体积小、高频高功率、低能耗速度快；5G通信将是GaN射频器件市场的主要增长驱动因素。

PART 03第三代半导体适应更多应用场景

第三代半导体适应更多应用场景。硅基半导体具有耐高温、抗辐射性能好、制作方便、稳定性好。可靠度高等特点，使得99%以上集成电路都是以硅为材料制作的。但是硅基半导体不适合在高频、高功率领域使用。2G、3G 和 4G等时代PA主要材料是 GaAs，但是进入5G时代以后，主要材料是GaN。5G的频率较高，其跳跃式的反射特性使其传输距离较短。由于毫米波对于功率的要求非常高，而GaN具有体积小功率大的特性，是目前最适合5G时代的PA材料。SiC和GaN等第三代半导体将更能适应未来的应用需求。

SiC功率器件的主要应用：智能电网、交通、新能源汽车、光伏、风电；新能源汽车是SiC功率器件市场的主要增长驱动因素。目前SiC器件在新能源车上应用主要是功率控制单元(PCU)、逆变器，DC-DC转换器、车载充电器等方面。iC能大大降低功率转换中的开关损耗，因此具有更好的能源转换效率，更容易实现模块的小型化，更耐高温。

总结：

在应用升级和市场驱动的双重带动下，第三代半导体产业将迎来发展热潮。把握“新基建”为第三代半导体材料带来的新机遇，快充，5G基建、新能源汽车和充电桩、特高压及轨道交通四大关键领域，将会给第三代半导体带来更大的市场空间。

审核编辑 ：李倩