三代半导体材料物理性能和应用特点
三代半导体材料相互共存。各代半导体材料并非完全替代关系，将长期共存。目前市场上的半导体仍以第一代硅基材料为主，以硅基为基础的集成电路是消费电子、逻辑芯片的绝对主流，占全球半导体市场份额 90%以上。第二代、第三代半导体材料在高温、高压和高频领域更多是作为有效补充，砷化镓、磷化铟专注高速高频、光电子细分市场，碳化硅、氮化镓在新能源、工业领域有不可替代的作用。不过随着摩尔定律演进逐渐放缓以及第三代半导体产品成本的降低，未来第三代半导体有望逐渐替代部分硅基半导体市场份额。异质集成成为未来趋势。从协同来看，不同半导体进行技术融合和异质集成，兼顾性能和成本，满足多远场景，已成为未来趋势。比如，将氮化镓与低成本硅衬底结合，可用于快充和射频场景；将碳化硅与硅基 IGBT 结合，形成的混合模块能提升电网转换效率。由于卓越的物理性能，第三代半导体具有以下优势。能量转换效率更高。传统的硅基材料导通电阻较高，在进行电力传输或转移的过程中会造成能量的大量损耗。第三代半导体元件具备高导热特性，材料又有宽能隙、耐高压和承受大电流的特性，可以降低导通时的损耗，更符合高温作业环境和高能效利用的要求。以新能源汽车为例，相比用传统硅芯片（如 IGBT），用第三代半导体材料芯片（如 SiC MOSFET 和 GaN HEMT）驱动的电动汽车能量耗损低5倍左右，由此大幅增加续航里程。芯片性能提升。第三代半导体采用宽禁带材料，关断时候的漏电电流更小，导通时候的导通阻抗更小，且寄生电容远远小于硅工艺材料，所以芯片运行速度更快，功耗消耗更低，待机时间更长，还能用较大工艺节点实现硅材料先进节点的部分性能。可承受高频高压和高温。凭借宽禁带特性，第三代半导体临界击穿电场强度高，可承受数倍于传统硅基器件的电压，且高热导率保证高功率运行时的散热与热稳定性，能在薄漂移层下实现高压阻断，减少能量损耗，适用于电动汽车、高压电网和 5G 基站等领域。有助于实现产品小型化。使用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）材料制备的功率元器件具备高速开关动作和耐热性较高两个特性，开关频率越高，构成电力转换器的电感器等部件实现小型化就越容易。另外，耐高温、电能利用率高也是电力转换器小型化的必要条件。实际应用中，采用碳化硅（SiC）器件可将电力驱动系统体积减小 3-5倍。
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