在現實世界中，沒有人可以和「半導體」撇清關係。雖然這個概念聽上去可能顯得有些冰冷，但是你每天用的電腦，手機以及電視等等，都會用到半導體元件。半導體的重要性自不必說，今天我們來說一下半導體產業中一個很關鍵的組成部分，那就是半導體材料。
半導體材料是製作電晶體、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要材料。其發展經過了三個主要階段：以矽為代表的第一代半導體材料、以砷化鎵為代表的第二代半導體材料、以碳化矽為代表的第三代半導體材料。第三代半導體材料在眾多方面具有廣闊的應用前景，隨著技術的進步，材料工藝與器件工藝的逐步成熟在高端領域將逐步取代第一代、第二代半導體材料，成為電子信息產業的主宰。
今天我們主要說的就是第三代寬禁帶半導體材料。
第三代半導體材料—寬禁帶半導體材料
當前，電子器件的使用條件越來越惡劣，要適應高頻、大功率、耐高溫、抗輻照等特殊環境。為了滿足未來電子器件需求，必須採用新的材料，以便最大限度地提高電子元器件的內在性能。近年來，新發展起來了第三代半導體材料－－ 寬禁帶半導體材料，該類材料具有熱導率高、電子飽和速度高、擊穿電壓高、介電常數低等特點，這就從理論上保證了其較寬的適用範圍。目前，由其製作的器件工作溫度可達到600 ℃以上、抗輻照1×106 rad；小柵寬GaN HEMT 器件分別在4 GHz 下，功率密度達到40 W／mm；在8 GHz，功率密度達到30 W／mm；在18 GHz，功率密度達到9．1 W／mm；在40 GHz，功率密度達到10．5 W／mm；在80．5 GHz，功率密度達到2．1 W／mm，等。因此，寬禁帶半導體技術已成為當今電子產業發展的新型動力。
進入21世紀以來，隨著摩爾定律的失效大限日益臨近，尋找半導體矽材料替代品的任務變得非常緊迫。在多位選手輪番登場後，有兩位脫穎而出，它們就是氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）——並稱為第三代半導體材料的雙雄。
碳化矽材料
碳化矽（SiC）俗稱金剛砂，為矽與碳相鍵結而成的陶瓷狀化合物，碳化矽在大自然以莫桑石這種稀罕的礦物的形式存在。SiC是目前發展最成熟的寬禁帶半導體材料，已經形成了全球的材料、器件和應用產業鏈。
SiC 器件和電路具有超強的性能和廣闊的應用前景，因此一直受業界高度重視，基本形成了美國、歐洲、日本三足鼎立的局面。目前，國際上實現碳化矽單晶拋光片商品化的公司主要有美國的Cree 公司、Bandgap 公司、Dow Dcorning 公司、II－VI公司、Instrinsic 公司；日本的Nippon 公司、Sixon 公司；芬蘭的Okmetic 公司；德國的SiCrystal 公司，等。其中Cree 公司和SiCrystal 公司的市場佔有率超過85％。在所有的碳化矽製備廠商中以美國Cree 公司最強，其碳化矽單晶材料的技術水平可代表了國際水平，專家預測在未來的幾年裡Cree 公司還將在碳化矽襯底市場上獨佔鰲頭。美國Cree 公司1993 年開始有6H 碳化矽拋光片商品出售，過去的十幾年裡不斷有新品種加入，晶型由6H 擴展到4H；電阻率由低阻到半絕緣；尺寸由2寸到6寸，150 mm（6英寸）拋光片已投入市場。
氮化鎵材料
氮化鎵
氮化鎵（GaN、Gallium nitride）是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙＊的半導體，在大氣壓力下，GaN晶體一般呈六方纖鋅礦結構，它在一個元胞中有4個原子，原子體積大約為GaAs 的1／2；其化學性質穩定，常溫下不溶於水、酸和鹼，而在熱的鹼溶液中以非常緩慢的速度溶解；在HCl 或H2 下高溫中呈現不穩定特性，而在N2 下最為穩定。GaN 材料具有良好的電學特性，寬帶隙（3．39 eV）、高擊穿電壓（3×106 V／cm）、高電子遷移率（室溫1 000 cm2／V·s）、高異質結面電荷密度（1×1013 cm－2）等，因而被認為是研究短波長光電子器件以及高溫高頻大功率器件的最優選材料，相對於矽、砷化鎵、鍺甚至碳化矽器件，GaN 器件可以在更高頻率、更高功率、更高溫度的情況下工作。另外，氮化鎵器件可以在1～110GHz 範圍的高頻波段應用，這覆蓋了移動通信、無線網絡、點到點和點到多點微波通信、雷達應用等波段。近年來，以GaN 為代表的Ⅲ族氮化物因在光電子領域和微波器件方面的應用前景而受到廣泛的關注。
作為一種具有獨特光電屬性的半導體材料，GaN 的應用可以分為兩個部分：憑藉GaN 半導體材料在高溫高頻、大功率工作條件下的出色性能可取代部分矽和其它化合物半導體材料；憑藉GaN半導體材料寬禁帶、激發藍光的獨特性質開發新的光電應用產品。目前GaN 光電器件和電子器件在光學存儲、雷射列印、高亮度LED 以及無線基站等應用領域具有明顯的競爭優勢，其中高亮度LED、藍光雷射器和功率電晶體是當前器件製造領域最為感興趣和關注的。
GaN 功率器件的製作工藝與GaAs 工藝相似度高，甚至很多設備都是同時支持兩種材料的工藝，因此，很多GaAs 器件廠商逐漸增加GaN 器件業務。目前，整個GaN 功率半導體產業處於起步階段，各國政策都在大力推進該產業的發展。國際半導體大廠也紛紛將目光投向GaN 功率半導體領域，關於GaN 器件廠商的收購、合作不斷發生，650V以下的平面型HEMT器件已經實現了產業化。
碳化矽與氮化鎵的優缺點：
第三代寬禁帶半導體材料應用領域
半導體照明
LED襯底類別包括藍寶石、碳化矽、矽以及氮化鎵。藍光LED在用襯底材料來劃分技術路線。SiC襯底有效地解決了襯底材料與GaN的晶格匹配度問題，減少了缺陷和位錯，更高的電光轉換效率從根本上帶來更多的出光和更少的散熱。氮化鎵具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強和良好的化學穩定性等優越特性，是迄今理論上電光、光電轉換效率最高的材料體系。時至今日，氮化鎵襯底相對於藍寶石、碳化矽等襯底的性能優勢顯而易見，最大難題在於價格過高。
功率器件
2015年，SiC功率半導體市場（包括二極體和電晶體）規模約為2億美元，到2021年，其市場規模預計將超過5．5億美元，這期間的複合年均增長率預計將達19％。毫無懸念，消耗大量二極體的功率因素校正（PFC）電源市場，仍將是SiC功率半導體最主要的應用。
目前市場上主要GaN產品是應用於高功率密度DC／DC電源的40－200伏增強性高電子遷移率異質節電晶體（HEMT）和600伏HEMT混合串聯開關，國外廠商主要有EPC、IR、Transphorm、Panasonic、ExaGaN、GaN Systems等公司。中國GaN相關企業有IDM公司中航微電子、蘇州能訊，材料廠商中稼半導體、三安光電、杭州士蘭微等公司。