中国能否靠它冲出一片“芯”天地？一文尽知第三代半导体

继“集成电路产业”带动中国在半导体行业的投资热潮后，三代半导体如今逐步进入人们的视线。今天我（作者）就以一个在三代半导体行业浸淫近15载的江湖中人角度给大家聊一聊，三代半导体产业在中国乃至世界的发展，以及这个行业的特点。

三代半导体材料的发展历程

先扫扫盲吧。

首先要给大家声明一下“半导体”可不是收音机和随身听的简称，以后隔壁老王你要是再敢提着你的破收音机来我家，让我给你修理，当心我把你好好修理一下，我这暴脾气......。

从最初应用算起，半导体材料已经发展了三代，第一代是四五十年代开始以锗、硅为代表的IV族半导体材料逐步发展起来，推动人类进入电子时代晶体管收音机就是那个时代的产物，老王你明白了吧？

到了上个世纪六七十年代，III-V族半导体的发展开辟了光电和微波应用，与第一代半导体一起，将人类推进了信息时代。八十年代开始，以碳化硅SiC、氮化镓GaN为代表的第三代半导体材料的出现，开辟了人类资源和能源节约型社会的新发展，催生了新型照明、显示、光生物等等新的应用需求和产业。

其实这些东西的真正应用大约都经历了十几年乃至二十年的培育期，所以大家对于半导体材料首先要有耐心，没有耐心的人看到这里就可以去追剧了，不必在这里浪费生命了。但是我要提醒你，你将失去参与改变人类历史的机会！虽然你的离开从某种程度上也是改变了历史，呵呵。

这里要特别说明一下氮化镓GaN材料。

镓是地球上存在的一种贵金属材料，大约排名第十左右，中国储量全球第一。作为三代半导体材料当家花旦的氮化镓，近二十年来，由于LED照明产业的发展推动，已成为三代半导体材料中的核心材料，在光电子方向LED从无到有，快速发展，直至现在发展到千亿美元的规模，是一个新材料开发推动社会变革的典范。

另一个有实力的材料碳化硅材料的开发早在七十年代就有了，最近二十年，在材料质量和制备方法上有了突破，逐步进入了市场。在2001年，碳化硅二极管被开发出来之后，材料质量逐步完善，器件性能和可靠性也在逐步改善。到目前为止，碳化硅的二极管以其优异的性能和使用过程中展现的可靠性，已经广泛应用在很多场合。

氮化镓GaN和碳化硅同属于第三代半导体材料。为了区别于氮化镓已经形成的LED产业，在产业中有人用第三代半导体指代除LED之外的第三代半导体材料应用（可怜的LED被第三代半导体除名了，谁让你总是光芒四射呢，当然我们也可以理解为人家自立门户去了，反正当今LED主要的产业聚集在中国，世界LED联盟的主席是中国人）。除了氮化镓和碳化硅，第三代半导体材料还包含ZnO，GaO氧化镓等。

既然LED已经离三代半导体阵营而去了，我们在这里就不再叙述了，如果哪天大家有兴趣，我可以抽时间把中国近15年的发展史给大家专门奉上。那其中的诸侯纷争绝对可以做一本中国半导体照明战争史。

第三代半导体能做啥？

我们今天主要说说三代半导体简称三代半（可不是3.5代哦）到底能干啥？首先要告诉大家的是三代半并不是二代半和一代半导体的掘墓人，他只是在某些领域拥有比硅器件更有益的性能。所以并不是说一代新人换旧人，而是江湖辈有新人出。

如果把我们所认知的半导体世界做一个简单分类的话，目前可以分为逻辑类器件和功率器件。一个电子产品的核心部分有计算部分（比如CPU之类的）、存储部分（比如内存、硬盘之类的）还有就是提供电力输送和控制的模块。

形象的比喻的话，就是硅器件做的CPU和存储就如同人的大脑，电源和电池就好比是人的心脏。而功率器件就好比是人的血液和神经系统。而三代半导体就是在这个领域在未来取代部分的硅器件，为整个系统提供更加优良的解决方案的核心材料。

经过几十年的发展，硅材料已经接近完美晶体，对于硅材料的研究也非常透彻。基于硅材料上器件的设计和开发也经过了许多代的结构和工艺优化和更新，正在逐渐接近硅材料的极限，基于硅材料的器件性能提高的潜力愈来愈小。

以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体具备优异的材料物理特性，为进一步提升电力电子器件的性能提供了更大的空间。

下图是Si、GaN、SiC以及GaAs材料基本物理性质、以及多坐标对比。如果你看不懂没关系，这只是给大家分享一点直观的数据。

表1， 三代四种半导体材料的基本物理参数

Si, GaAs和GaN三代半导体材料的多坐标物理性能对比。

Si与GaN器件的电源系统效率比较。

看了上面的介绍，现在要讲到关键问题了，就是这玩意儿到底用在哪里？有什么优势呢？为什么政府、科研、产业、资本都对它趋之若鹜。

套用业界一位大咖的话说，不论你们看重的是什么，政府首先看重的是节能。没想到吧，似乎也只提高了3%-5%的效率，能节多少能呢？不过其实那只是一次转换中节约比例。

设想我们任何一个电子设备到最终实现功能，要经过多少次这样的转化呢？“我觉得十次八次总要的吧。”“需要吗？”“不需要吗？”“需要吗？”“不需要吗？！”“我随便说出来大家探讨而已……需要吗？”这么算出来，估计只要你的体育老师的数学水平还可以的话，你应该可以大概知道系统节能比例可以高达15%以上。

然后才是高频特性、高温特性、高耐压、高功率、小体积这些特性。每一个特性又对应这无数种的应用和排列组合方式。

下面该谈应用了。以下我讲述的应用仅仅是三代半导体应用中能够吸引眼球的的几个方面，如果要全面的应用介绍，麻烦大家自己百度一下类似的科普类好文，里面会有分类介绍。我这里讲的全都是你心目中耳熟能详而又高大尚的东西。