第三代半导体来了

?
第三代半导体是目前高科技领域最热门的话题，在5G、电动车、再生能源、工业4.0发展中扮演不可或缺的角色。即使常听到这些消息，相信许多人对它仍然一知半解，那么第三代半导体到底是什么？对此将用最浅显易懂、最全方位的角度，带你了解这个足以影响科技产业未来的关键技术。

讲到第三代半导体，首先简单介绍一下第一、二代半导体。在半导体材料领域中，第一代半导体是硅（Si），第二代半导体是砷化镓（GaAs），第三代半导体（又称宽带隙半导体，WBG）则是碳化硅SiC和氮化镓（GaN）。

第一、二代半导体的硅与砷化镓属于低带隙材料，数值分别为1.12eV(电子伏特)和1.43eV，第三代宽带隙半导体的带隙，SiC和GaN分别达到3.2eV、3.4eV。因此当遇到高温、高压、高电流时，跟一、二代比起来，第三代半导体不会轻易从绝缘变成导电，它的特性更稳定，能源转换也更好。

随着5G、电动车时代来临，科技产品对于高频、高速运算、高速充电的需求上升，硅与砷化镓的温度、频率、功率已达极限，难以提升电量和速度；一旦操作温度超过100度时，前两代产品更容易故障，因此无法应用在更严苛的环境。再加上全球都开始重视碳排放问题，因此，高能效、低能耗的第三代半导体必然会成为时代的宠儿。

很多人以为，第三代半导体与先进制程一样，是从第一、二代半导体的技术累积而来，但其实完全不是。这三代半导体其实是平行状态，各自发展技术。

作为发展了几十年、如今正在发光发热的经典材料，硅晶圆的尺寸已经来到了12英寸。但如今日渐丰富的应用需求让硅渐渐力不从心起来。比如，高电压、高功耗、高速度，这三高的压力。

第三代半导体在高频状态下，仍可以维持优异的效能和稳定度，同时它们还拥有开关速度快、尺寸小、散热迅速等优异性能。当芯片面积大幅度减少，第三代半导体有助于简化周边电路设计，进而减少模组及冷却系统的体积。

了解到前三代半导体差异后，我们接着聚焦于第三代半导体的材料——SiC和GaN。这两种材料的应用领域略有不同，目前，GaN组件常用于电压900V以下之领域，例如充电器、基站、5G通讯相关等高频产品，而SiC则是电压大于1200 V的应用环境，比如电动车相关应用。

再看看制造业如今最火热的领域之一新能源汽车。电动汽车的火热，让功率半导体需求大增，国内造车新势力的百花齐放，让功率厂商真是大喜过望啊。看着国内新能源汽车的增长速度，燃油车简直只能瑟瑟发抖。

作为电动车的核心转换部件，逆变器必不可少。逆变器通过将电池发出的直流电转换成汽车电机需要的交流电，让电机带动汽车飞速行驶。这一核心技术曾经还是硅基IGBT的天下，但随着功率、尺寸、效率等要求水涨船高，硅基IGBT逐渐接近自己的天花板。

这时，就得靠SiC登场了！作为第三代宽禁带半导体的代表，SiC在功率密度与转换效率方面的优势，让逆变器能够以三分之一的尺寸，实现 800V/250kW环境下的正常工作，让电动车不再做“小短腿”。不光如此，SiC在散热方面还更有优势，毕竟没人想在自己车上装一颗核弹。

要发展SiC半导体，那当然少不了SiC晶圆，毕竟芯片就是从这上面来的。制造晶圆，自然要考虑材料的各种特性。SiC本身很硬，耐磨、耐磨蚀。根据导电性的不同，SiC可以分为导电型和半绝缘型，两种类型各有用途。

还记得硅晶圆的制作过程吗？提纯、熔解、提拉、切割、抛光等等，硅本身已经够硬了，SiC比硅还硬！莫氏硬度超过9，稍稍次于钻石。它在自然界中有个别名——莫桑石。硬度上去了，往往就变脆了，可能嘎嘣一下就断了。想搞定这种又硬又脆的材料，可得下点功夫。