作者 | 薛丁格的鹹魚
【TechWeb】2020年9月27日，近期，第三代半導體產業將寫入「十四五」規劃的消息在網絡上傳播。第三代半導體主要是指氮化鎵和碳化矽、氧化鋅、氧化鋁、金剛石等寬禁帶半導體，它們通常都具有高擊穿電場、高熱導率、高遷移率、高飽和電子速度、高電子密度、可承受大功率等特點。
但是，很多人容易被「第三代」半導體這個名字誤導。
賽道不同
第一代、第二代、第三代半導體之間應用場景是有差異的。以矽（Si）、鍺（Ge）為代表的第一代半導體應用場景十分廣泛，從尖端的CPU、GPU、存儲晶片，再到各種充電器中的功率器件都可以做。雖然在某些領域的性能方面表現不佳，但還有性價比助其佔據市場。第二代半導體以砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）、磷化銦（InP）為代表，主要應用領域為光電子、微電子、微波功率器件等。第三代半導體以碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石為代表，主要應用領域為功率器件、光電子、射頻。
第三代半導體和第二代、第一代之間不是迭代關係，它們的應用場景有交叉，但不完全重合。
舉個例子來說，矽這類第一代半導體就像一個高年級學生，氮化鎵這類第三代半導體就像一個新生。高年級學生主要是練田徑運動的，而新生則是練遊泳的。
每年學校都會舉辦運動會，在新生來之前，運動會所有項目（包括遊泳）都是由高年級學生參加，雖然高年級學生是練田徑的，但是因為身體素質較好也可以參加其它類型的比賽。
現在專業練遊泳的新生來了，新生的遊泳速度比高年級學生快了不少，但新生田徑項目表現很糟糕。所以之後的部分遊泳比賽就逐漸的交給新生參加了，而高年級學生也更專注田徑比賽。
漸漸地，新生在遊泳領域獲得了很多獎項，高年級學生如此評價： 「好，很有精神！」即使所有遊泳比賽都交給新生參加，學校運動會中大多數比賽項目還是田徑比賽，遊泳比賽只佔一小部分。所以在這種情況下高年級學生依舊是你們的老大哥。
第三代半導體有其擅長的領域，在自己的應用領域內性能是可以超過矽、鍺等傳統半導體材料，但在領域外，還是矽的天下。
什麼是半導體?
有些人看到這個問題可能會覺得答案很簡單。半導體嘛，就是電阻率介於導體和絕緣體之間的材料。電阻率高的幾乎不導電的就是絕緣體，電阻率低的很容易導電的就是導體。
以上理解並不能算錯，但如果想研究半導體材料，以上理解是完全不夠的。比如如何看待電阻率很高的金剛石被列為第三代「半導體」材料，以及如何看待「超導金剛石」的相關研究？顯然要理解這些問題需要更深層的理論。
能帶理論就能很好的解決這些問題。
眾所周知，電子是圍繞原子核旋轉的，如上圖所示。其中2p、3s之類的就是電子的軌道。電子在不同軌道上具有不同的能量，這些能量值就是能級了。
在現實中基本不會有一個原子單獨存在的情況，大多都是一堆原子聚集在一起。
如果多個原子排在一起的話，那麼一個電子就會受到其它原子的影響，這些原子的電子軌道（量子態）就會發生交疊，在這種交疊的情況下電子就可以從一個原子轉移到另一個原子上。既然電子可以從一個原子轉移到另一個原子上，那麼它也可以繼續轉移到下一個原子上，所以說電子可以通過這種方式在整個晶體中運動，這種運動稱為共有化運動。
截取自北京地鐵官方網站
舉個通俗的例子，我們每個人就像電子，而這些軌道就像地鐵的線路一樣。這些地鐵線路是有交疊的地方，有些交疊的地方被設置為換乘車站，可以從一條線路換成另一條線路。因為換乘線路的存在，我們可以通過換乘的方式到達地鐵線路中的任意一個站點。電子的共有化運動也是類似這樣。
正因為在其它原子的影響下，能級分裂成了能帶。當原子周期性排列形成晶體互相靠近時，每一個能級都分裂為很多彼此相距很近的能級，形成能帶。
其中內層電子共有化運動弱，能級分裂小，能帶窄；外殼層電子共有化運動顯著，能帶寬。
在具備能帶知識的基礎上我們來看這張圖，圖中：
價帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶
導帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶
禁帶：導帶底與價帶頂之間能帶
帶隙（禁帶寬度）：導帶底與價帶頂之間的能量差
從圖中我們不難發現半導體和絕緣體之間差異最大的地方在于禁帶寬度，而在第三代半導體概念中的寬禁帶半導體，其中「寬禁帶」指的就是禁帶寬度比較寬。
舉個例子，比如在跨欄運動中欄架高度大約1米，厚度也很小。所以運動員可以輕鬆的跨過去。但是如果把欄架換成3米高的磚牆，厚度也增加很多，這樣運動員就不太容易跨過去了。
半導體和絕緣體也是這樣，半導體的禁帶像標準的欄架，電子比較容易跨過，而絕緣體的禁帶則是高牆，電子幾乎不能跨過。而這裡欄架和牆的厚度和高度就相當于禁帶寬度。
值得說明的一點是，禁帶寬度不是永恆不變的。比如同一種材料在不同溫度下的禁帶寬度是不一樣的。而且可以通過摻雜等方式改變禁帶寬度。
前文簡單介紹了什麼是半導體，那麼現在來說什麼是半導體的職責。
引用莎士比亞的話來說就是：To be or not to be,that's a question.翻譯成北京話就是：這麼著兒，還是那麼著兒。具體來說就是一個好的半導體一定要是一個可以選擇的狀態，比如我給它加電壓，它就導通（這麼著兒），我不給它加電壓，它就應該關閉（那麼著兒）。同理如果我給它加電壓它導通（這麼著兒），我不給它加電壓它還這麼著兒（導通），那這就是個導體。如果我不給它加電壓它關閉，當我給它加電壓它還這麼著兒（關閉），那它就是個絕緣體。
寬禁帶的優勢
第三代半導體主要是指寬禁帶半導體，那麼這個「寬禁帶」到底怎樣帶來性能優勢呢？
大家都知道電子的定向移動形成電流，繼續之前的舉例，電子這位「運動員」只需要跨過欄架或者高牆就完成工作了。但是電子跨過護欄和高牆都需要一些力氣，這種時候如果有人能扶他一下就會很省力了。這些幫助者可以是光照或者外加電壓，為其提供能量。
前文已經介紹了半導體的職責，那麼現在就是如果選擇「To be or not to be」的交界線了，在例子中這個交界線就是障礙物的高度和厚度，也就是實際中的禁帶寬度。所以針對應用選擇一個合適的「禁帶寬度」材料就很重要了。
以金剛石為例，金剛石的禁帶寬度達5.5eV，遠大於Ge（0.67eV）、Si（1.12eV）和GaAs（1.43ev）等常規材料，這不僅保證了金剛石器件能在700-1000度下安全工作，有良好的抗輻射加固能力，而且大大提高了器件的雪崩擊穿電壓壓。
另外禁帶寬度也與場效應管的溝道導通電阻有關，禁帶寬度越大，相應器件就會具有較低的導通電阻。
金剛石熱導率很大，因此用金剛石製作的器件散熱性能良好。金剛石的介質擊穿場強也很高，大致為V/cm，所以能提高器件的最高工作溫度和功率。
同時金剛石的介電常數較低，這可以影響到器件的阻抗，並且有利於提高器件的工作頻率。
第三代半導體的應用
LED：
第三代半導體以氮化鎵、氮化鋁、氮化銦這些三族氮化物為例，這些氮化物半導體可以製作藍光LED、綠光LED，最終可以通過組合的方式實現白光LED。現在不少手機屏幕，顯示器的背部光源用的就是LED。
人類用氮化物製造LED的歷史其實有很長時間了，中村修二於1993年在日本日亞化學工業株式會社就職期間，基於GaN開發了高亮度藍色LED。中村修二於2014年與赤崎勇，天野浩因發明「高效藍色發光二極體」而獲得諾貝爾物理學獎。
出自《我國半導體市場:繼續直線上升——我國超高亮度及白光LED產業的現狀與發展》
此文章發表於2005年，在那時國外很多公司已經將氮化物用於製作LED，並且實現了商業化。
紫外探測：
紫外探測是第三代半導體的重要應用之一。
比如在高壓電線桿上有時候會出現放電的現象，這種現象稱之為「電暈」。高電壓設備電暈放電會產生紫外線，我們只需要檢測這些紫外線就能更好的監測電網設備的運行。同理也可以監測高鐵等其它設備上的電暈情況。
再比如紫外探測可以檢測飛彈的尾焰、森林防火、船隻導航等用途。
高功率器件：
用第三代半導體製作的高功率器件具有體積更小、效率更高、性能更強等特點。
比如各大廠商推出的GaN手機充電器。特別是手機開啟快充時代後，手機充電器的功率越來越大，如果繼續用傳統材料製作手機充電器，那麼體積就會太大進而不方便攜帶。而用GaN製作的手機充電器體積就能縮小很多。同理也可以用GaN製作筆記本電腦的電源適配器。
除了手機以外，其它更大的設備也可以使用類似的技術。比如新能源汽車的充電樁。對於電動汽車來說提高充電效率每年就可以省下不少的電力資源。同理也可以用於製作汽車上使用的IGBT。
用第三代半導體製作的器件可以在瞬間輸出巨大的能量，因此它也可以被用於製作航空母艦上的電磁彈射器，或者是艦船上的電磁炮。
射頻與微波：
在這方面，大家比較熟知的應該就是5G了。使用第三代半導體材料可以建造更加節能且性能更強的5G基站，而且也可以用於製作5G射頻晶片。
在軍用方面，第三代半導體可以用於製作包括相控陣雷達在內的各種軍用雷達。在AUSA2016上,雷聲公司展示了第一臺全尺寸的「愛國者」下一代雷達的原型機。這種新型雷達採用了AESA體制和氮化鎵(GaN)材料製成的晶片。「愛國者」防空系統原有的雷達是無源相控陣體制的AN/MPQ-53/65,其使用的是砷化鎵(GaAs)材料製成的晶片。
矽還是老大哥
在前文中提到過第三代半導體和第一代、第二代半導體因為應用場景方面的問題，並不屬於同一賽道。
那麼現在半導體市場上主流業務是什麼呢？是集成電路。而恰巧，在當前技術條件下第三代半導體不適合用於製作數字邏輯電路。第三代半導體的主戰場更多的會集中在分立器件上。
根據相關新聞報導，2018年全球半導體市場規模達到4779.4億美元，而且每年還在快速增長中。根據國外研究機構數據顯示，到了2025年第三代半導體市場的規模將達到434億美元。
但從我國半導體產業發展的角度來說，發展第三代半導體總算暫時不用被先進光刻機卡脖子了。
意法半導體(ST)新材料和電源方案事業部的創新和關鍵項目戰略營銷總監Filippo Di Giovanni預測：「隨著GaN技術向更小的工藝節點演進，在達到0.15μm柵長時，GaN將挑戰GaAs器件在可攜式無線應用中的主導地位。」
我國先進的光刻機可能在短期內無法突破，在如果只是光刻0.15μm（150nm）的光刻機還是沒有問題的。
對於高頻小信號器件來說，它們需要低噪聲係數。因此目前在某些情況下GaAs仍具優勢。當然現在也有一些類似「數字預失真技術」可以幫助GaN器件在高頻場景下達到更好的性能。所以從長期來看，GaN取代部分GaAs的市場地位是大趨勢。
對於矽材料來說，其實業界很早就發現了這種材料的不足。比如漏電和散熱問題，以及未來可能會觸及矽的物理極限。但是整條產業鏈上並沒有多少人願意做出改變，他們更偏向於使用新技術繼續給矽「續命」。
舉個例子來說就是，一件破衣服，大家都不太捨得直接換新的，然後就是「新三年，舊三年，縫縫補補又三年。」而且經過這些年的修補，裁縫的手藝越來越好了，暫時還是能繼續修下去。
關於矽的「接班人」現在還尚不確定，比如「二維超導材料」亦或是「拓撲絕緣體」都有可能接班。不過相關材料大規模商業也是很多年之後的事了。