什么是第三代半導體？

第三代半導體是以碳化硅SiC、氮化鎵GaN為主的寬禁帶半導體材料，具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率、可承受大功率等特點。

一、二、三代半導體什么區別？

一、材料

第一代半導體材料，發明并實用于20世紀50年代，以硅（Si）、鍺（Ge）為代表，特別是硅，構成了一切邏輯器件的基礎。我們的CPU、GPU的算力，都離不開硅的功勞。第二代半導體材料，發明并實用于20世紀80年代，主要是指化合物半導體材料，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表。其中砷化鎵在射頻功放器件中扮演重要角色，磷化銦在光通信器件中應用廣泛……而第三代半導體，發明并實用于本世紀初年，涌現出了碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）等具有寬禁帶（Eg＞2.3eV）特性的新興半導體材料，因此也被成為寬禁帶半導體材料。

二、帶隙

第一代半導體材料，屬于間接帶隙，窄帶隙；第二代半導體材料，直接帶隙，窄帶隙；第三代半導體材料，寬禁帶，全組分直接帶隙。和傳統半導體材料相比，更寬的禁帶寬度允許材料在更高的溫度、更強的電壓與更快的開關頻率下運行。

三、應用

第一代半導體材料主要用于分立器件和芯片制造；第二代半導體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，也是制作高性能微波、毫米波器件的優良材料，廣泛應用在微波通信、光通信、衛星通信、光電器件、激光器和衛星導航等領域。第三代半導體材料廣泛用于制作高溫、高頻、大功率和抗輻射電子器件，應用于半導體照明、5G通信、衛星通信、光通信、電力電子、航空航天等領域。第三代半導體材料已被認為是當今電子產業發展的新動力。以第三代半導體的典型代表碳化硅（SiC）為例，碳化硅具有高臨界磁場、高電子飽和速度與極高熱導率等特點，使得其器件適用于高頻高溫的應用場景，相較于硅器件，碳化硅器件可以顯著降低開關損耗。

因此，碳化硅可以制造高耐壓、大功率的電力電子器件如MOSFET、IGBT、SBD等，用于智能電網、新能源汽車等行業。與硅元器件相比，氮化鎵具有高臨界磁場、高電子飽和速度與極高的電子遷移率的特點，是超高頻器件的極佳選擇，適用于5G通信、微波射頻等領域的應用。第三代半導體材料具有抗高溫、高功率、高壓、高頻以及高輻射等特性，相比第一代硅基半導體可以降低50%以上的能量損失，同時使裝備體積減小75%以上。第三代半導體屬于后摩爾定律概念，制程和設備要求相對不高，難點在于第三代半導體材料的制備，同時在設計上要有優勢。

第三代半導體現狀

由于制造設備、制造工藝以及成本的劣勢，多年來第三代半導體材料只是在小范圍內應用，無法挑戰硅基半導體的統治地位。目前碳化硅襯底技術相對簡單，國內已實現4英寸量產，6英寸的研發也已經完成。氮化鎵（GaN）制備技術仍有待提升，國內企業目前可以小批量生產2英寸襯底，具備了4英寸襯底生產能力，并開發出6英寸樣品。

第三代半導體的機遇

在5G和新能源汽車等新市場需求的驅動下，第三代半導體材料有望迎來加速發展。硅基半導體的性能已無法完全滿足5G和新能源汽車的需求，碳化硅和氮化鎵等第三代半導體的優勢被放大。另外，制備技術的進步使得碳化硅和氮化鎵器件成本不斷下降，碳化硅和氮化鎵的性價比優勢將充分顯現。初步判斷，第三代半導體未來的核心增長點將集中在碳化硅和氮化鎵各自占優勢的領域。

一、碳化硅（SiC）

常被用于功率器件，適用于600V下的高壓場景，廣泛應用于新能源汽車、充電樁、軌道交通、光伏、風電等電力電子領域。新能源汽車以及軌道交通兩個領域復合增速較快，有望成為碳化硅市場快速增長的主要驅動力。

計到2023年，碳化硅功率器件的市場規模將超過15億美元，年復合增長率為31%。

1.新能源汽車

在新能源汽車領域，碳化硅器件主要可以應用于功率控制單元、逆變器、車載充電器等方面。碳化硅功率器件輕量化、高效率、耐高溫的特性有助于有效降低新能源汽車的成本。2018年特斯拉Model 3采用了意法半導體生產的碳化硅逆變器，是第一家在主逆變器中集成全碳化硅功率模塊的車企。以Model 3搭載的碳化硅功率器件為例，其輕量化的特性節省了電動汽車內部空間，高效率的特性有效降低了電動汽車電池成本，耐高溫的特性降低了對冷卻系統的要求，節約了冷卻成本。此外，近期新上市的比亞迪漢EV也搭載了比亞迪自主研發并制造的高性能SiC-MOSFET 控制模塊。

2.軌道交通

在軌道交通領域，碳化硅器件主要應用于軌交牽引變流器，能大幅提升牽引變流裝置的效率，符合軌道交通綠色化、小型化、輕量化的發展趨勢。近日完成調試的蘇州3號線0312號列車是國內首個基于碳化硅變流技術的牽引系統項目。采用完全的碳化硅半導體技術替代傳統IGBT技術，在提高系統效率的同時降低了噪聲，提升了乘客的舒適度。

二、氮化鎵（GaN）

側重高頻性能，廣泛應用于基站、雷達、工業、消費電子領域：1.5G基站氮化鎵射頻器件更能有效滿足5G高功率、高通信頻段的要求。5G基站以及快充兩個領域復合增速較快，有望成為氮化鎵市場快速增長的主要驅動力。基于氮化鎵工藝的基站占比將由50%增至58%，帶來大量氮化鎵的新增需求。預計到2022年，氮化鎵器件的市場規模將超過25億美元，年復合增長率為17%。

2.快充

氮化鎵具備導通電阻小、損耗低以及能源轉換效率高等優點，由氮化鎵制成的充電器還可以做到較小的體積。安卓端率先將氮化鎵技術導入到快充領域，隨著氮化鎵生產成本迅速下降，氮化鎵快充有望成為消費電子領域下一個殺手級應用。預計全球氮化鎵功率半導體市場規模從2018年的873萬美元增長到2024年的3.5億美元，復合增長率達到85%。2019年9月，OPPO發布國內首款氮化鎵充電器SuperVOOC 2.0，充電功率為65W；2020年2月，小米推出65W 氮化鎵充電器，體積比小米筆記本充電器縮小48％，并且售價創下業內新低。隨著氮化鎵技術逐步提升，規模效應會帶動成本越來越低，未來氮化鎵充電器的滲透率會不斷提升。中國三代半導體材料中和全球的差距一、中國以硅為代表的第一代半導體材料和國際一線水平差距最大1.生產設備幾乎所有的晶圓代工廠都會用到美國公司的設備，2019年全球前5名芯片設備生產商3家來自美國；而中國的北方華創、中微半導體、上海微電子等中國優秀的芯片公司只是在刻蝕設備、清洗設備、***等部分細分領域實現突破，設備領域的國產化率還不到20%。

2.應用材料

美國已連續多年位列第一，我國的高端光刻膠幾乎依賴進口，全球5大硅晶圓的供應商占據了高達92.8%的產能，美國、日本、韓國的公司具有壟斷地位。

3.生產代工

2019年臺積電市場占有率高達52%，韓國三星占了18%左右，中國最優秀的芯片制造公司中芯國際只占5%，且在制程上前面兩個相差30年的差距。

二、中國以砷化鎵為代表的第二代半導體材料已經有突破的跡象

1.砷化鎵晶圓環節

據Strategy Analytics數據，2018年前四大砷化鎵外延片廠商為IQE（英國）、全新光電（VPEC，臺灣）、住友化學（Sumitomo Chemicals，日本）、英特磊（IntelliEPI，臺灣），市場占有率分別為54%、25%、13%、6%。CR4高達98%。

2.砷化鎵晶圓制造環節（Foundry+IDM）

臺灣系代工廠為主流，穩懋（臺灣）一家獨大，占據了砷化鎵晶圓代工市場71%的市場份額，其次為宏捷（臺灣）與環宇（GCS，美國），分別為9%和8%。

3.砷化鎵元器件

砷化鎵元器件產品（PA為主），也是以歐美廠商為主，最大的是Skyworks（思佳訊），市場占有率為30.7%；其次為Qorvo（科沃，RFMD和TriQuint合并而成），市場份額為28%；第三名為Avago（安華高，博通收購）。

這三家都是美國企業?？梢?，在砷化鎵三大產業鏈環節（晶圓、晶圓制造代工、核心元器件），目前都以歐美、日本和臺灣廠商為主導。中國企業起步晚，在產業鏈中話語權不強。不過從三個環節來看，已經有突破的跡象。如華為就是將手機射頻關鍵部件PA通過自己研發然后轉單給三安光電代工的。

三、中國在以氮化鎵和碳化硅為代表第三代半導體材料方面有追趕和超車的機會由于第三代半導體材料及應用產業發明并實用于本世紀初年，各國的研究和水平相差不遠，國內產業界和專家認為第三代半導體材料成了我們擺脫集成電路（芯片）被動局面、實現芯片技術追趕和超車的良機。

就像汽車產業，中國就是利用發展新能源汽車的模式來拉近和美、歐、日系等汽車強國的距離的，并且在某些領域實現了彎道超車、換道超車的局面。三代半材料性能優異、未來應用廣泛，如果從這方面趕超是存在機會的。中國三代半導體材料相關公司：

什么是芯片？

通俗點來說，芯片就是把一個電路所需的晶體管和其他器件制作在一塊半導體上。通常情況下半導體所應用到的材料就是單晶硅(Monocrystalline Silicon)，如果要制造用于處理元宇宙數據的高性能芯片，那么單晶硅的純度需要達到99.99999999999%以上。如圖所示，芯片最初的材料便是這一塊一塊的單晶硅硅錠了。

生產芯片的原料——單晶硅硅錠

我們不可能在這么大的硅錠上制作芯片，于是晶圓廠將硅錠按照要求裁切成一個一個的圓片，圖中那個大大的圓片便是我們說的晶圓(Wafer),而放大的部分里面包含著復雜的線路圖，這些獨立的結構單元稱為chips，在某些場合下，芯片也指代chips。

晶圓以及圓上的chips

芯片的制造工藝

在半導體界有這么一種說法，“如果將制造核彈的難度設定為1，那么制造芯片的難度可能是100，制造高性能芯片的難度可能是10000?！?/p>

芯片制造流程

是不是已經被嚇到了？注意，這還是一張簡圖，實際上芯片制造分為前道工藝和后道工藝，每一段工藝又分為幾十甚至上百道工序，中間只要一個環節走不通，那都是半途而廢。最后，為了讓大家能看得清楚一些，筆者將上述的圖再簡化如下所示：

芯片制造簡圖

通過上述的圖片，我們已經初步了解了制造一枚芯片的流程，芯片制造的困難不僅僅包括設備，同時也包括材料方面的問題。接下來，筆者分別介紹芯片制造中所用到的重要材料。

單晶硅，制備芯片結構的襯底

沒有高純度的單晶硅，就不要提芯片，更不用說構建一個元宇宙的虛擬世界了。作為地球上第二豐度的元素，硅廣泛地存在于自然界當中。它成本低廉，溫度穩定性好，穿透電流低，如此優異的性能使它代替鍺，成為了半導體的主流材料。

單質硅主要有單晶、多晶以及非晶硅三類形態，后兩種形態缺陷太多，若用于芯片制造，在加工過程中會引起基材的電學以及力學性能變差，因此只能用高純的單晶硅作為芯片的基元材料。

硅單質的三種形態

然而自然界中別說單晶硅，就連硅單質也是不存在的，硅元素主要以硅酸鹽以及硅的氧化物形式存在，想從原料中獲取單晶硅并不是一個簡單的過程，要經過西門子法提純以及CZ法制備單晶硅兩大步驟，這兩大步驟具體包括：二氧化硅原料→金屬硅→HCl提純→氫氣還原→多晶硅→熔融→拉制單晶硅→切片。

首先，利用焦炭，在1500℃的條件下，將二氧化硅原料還原成金屬硅，此時的金屬硅純度僅僅為97%，具有雜質；隨后，利用氯化氫(HCl)在300℃的低溫下將金屬硅變為三氯硅烷，而氯化氫也會將金屬硅中的雜質溶解，由于雜質和三氯硅烷蒸汽壓較大的差異，此時，雜質的氯化物會受熱蒸發，硅的純度得到進一步提高。

接下來，利用高純度氫氣將高純度的三氯硅烷通入爐中，在1100℃的高溫下，爐子內部的硅芯棒上會逐漸長出多晶硅晶體，此時多晶硅的純度可達99.999999999%。

西門子法制備高純多晶硅

最后一步便是利用多晶硅制備單晶硅，首先將多晶硅加熱熔化，隨后加入單晶硅的籽晶(Seed)，觸碰多晶硅的熔體，此時界面處的硅便會沿著同一個晶面方向生長，通過調控合適的工藝參數，便可得到硅單晶棒。

CZ法制備單晶硅流程

單晶硅硅棒經過打磨，拋光，外延，切片等工藝，就形成晶圓了。別急，這只是做芯片的第一步。

光刻膠，轉印芯片電路的媒介

當制備好的晶圓經過氧化處理后，便進入了芯片前道工藝的光刻工序，大家應該都知道***，如果將***比作芯片行業的引擎，那么光刻膠就是助推引擎的燃料。

光刻流程簡圖

光刻膠就是圖中橙色的部分，也有人將其稱為光阻劑。光刻膠分為正膠和負膠，正膠經過曝光后會溶解于顯影液，負膠則是相反的。按照曝光光源的波長分類，光刻膠分為g線，i線，KrF，ArF以及EUV光刻膠，由左到右，光刻膠對應的曝光波長逐漸變短，先進的EUV光刻膠對應曝光波長只有13.5nm，可用于10nm以下的芯片制程，但目前EUV***只有荷蘭ASML能制造。

光刻膠分類

光刻膠的組分一直是國外廠商的機密，很難通過逆向解析的手段還原。一般而言，光刻膠的組分包括光引發劑，樹脂基體，單體以及助劑。當光刻膠經過紫外光照射后，發生一系列的物理化學變化，電路圖形就從掩膜版上轉移到光刻膠上面，經過刻蝕后，晶圓片上就形成了對應的圖案。

光刻膠反應機理簡圖

我國目前28nm工藝制程使用的光刻膠為KrF型號，目前正在積極開發ArF型光刻膠，而更為高端的產品已經被美國與日本所壟斷。

成膜，分隔芯片結構的骨架

經過刻蝕，我們已經得到了芯片的基本平面形貌，為了防止各個器件之間的干擾，同時賦予芯片三維結構，我們就需要薄膜（＜1μm）沉積工藝。

芯片薄膜沉積工藝

薄膜沉積工藝分為化學氣相沉積（CVD）以及物理氣相沉積（PVD）兩種方式。

典型的CVD工藝是將晶圓（基底）暴露在一種或多種不同的前驅物下，在基底表面發生化學反應或化學分解來產生所需的沉積薄膜。CVD 的基本流程如圖所示：

CVD基本流程

上述的流程包括反應物傳輸，先驅體反應，氣體擴散，襯底吸附，CVD主要用在芯片的氮化層成膜。而PVD的方式包括蒸鍍與濺射，主要用于芯片的金屬層，目前多用離子濺射的方式成膜。離子濺射的基本原理是通過氣體等離子轟擊靶材，將靶材原子“打”出來，并使它沉積在襯底上成膜。

PVD基本流程

封裝，連接芯片電路的外衣

封裝屬于后道工藝，但也是至關重要的一步。芯片封裝是半導體開發的最后一個階段，不僅僅是為了保護芯片的內部結構和提高芯片的性能，更是為芯片內部結構與外部電路建立了一道溝通的橋梁。

2.5D芯片封裝工藝

芯片的封裝材料主要包括封裝基板、引線框架、鍵合絲、塑封料等四類材料。這四類材料的市場份額在芯片封裝材料里占70%以上。

封裝材料市場占有率

封裝基板是芯片的內外承載和保護結構。對于高端芯片，會選擇環氧樹脂，聚苯醚樹脂，聚酰亞胺樹脂作為基板材料，相比于金屬基板和陶瓷基板，有機基板具有密度小，生產成本低以及加工簡單的優勢。而引線框架則是連接內外電路的媒介，它需要較高的導電導熱性能，一定的機械強度，良好的熱匹配性能，同時環境穩定性要好。一般采用銅基引線框架材料。鍵合絲是芯片內部與引線框架的內引線，對于高端產品而言，要求化學穩定性和導電率更高，因此高端芯片一般采用鍵合金絲作為鍵合材料，但是缺點是成本過高，因此在一些較為低端的產品，一般用鍵合銀絲以及鍵合銅絲。塑封料則是對芯片和引線架構起保護作用。塑封料有金屬，陶瓷，高分子塑封料三種方式。相比于前兩者，高分子環氧塑封具有低成本，小體積，低密度等優點，目前絕大多數的集成電路都采用高分子環氧塑封。

封裝材料示意圖

展望

在經過封裝測試之后的其它工藝，一枚小小的芯片就這么誕生了。強大的算力是支持元宇宙運行的基礎，根據半導體的摩爾定律：

集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過18個月到24個月便會增加一倍。換言之，處理器的性能大約每兩年翻一倍，同時價格下降為之前的一半。

但是隨著芯片制成的不斷縮小，甚至到現在網傳的1.4nm，摩爾定律的適用性在面臨挑戰。那么，我們不禁要問，能否在原材料上有所突破呢？答案是肯定的，科學家們曾經說石墨烯是下一代芯片材料，但是石墨烯的量產與提純又是一大問題。近期，科學家們發現二維二硫化鉬這種新型半導體：

二硫化鉬結構圖

相比于單晶硅，它具有的優勢：

1. 沒有單晶硅表面的“懸掛鍵”，性能比單晶硅更穩定；
2. 很薄，單層的二硫化鉬只有6.5埃的厚度，比現在的3nm制程小了5倍，芯片的制程可以進一步縮小，獲得更高的算力；
3. 若能批產，可以減少芯片的制作流程。

但是，需要說明的是，作為一種二維材料，它與石墨烯一樣很難穩定批產，這就需要材料學家進一步去探索新的制備工藝和新的合成方法了，希望那一天能夠早日到來。