第一代、第二代、第三代半导体材料是什么?有什么区别

　　第一代半导体材料概述

　　第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗元素（Ge）半导体材料。作为第一代半导体材料的锗和硅，在国际信息产业技术中的各类分立器件和应用极为普遍的集成威廉希尔官方网站 、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用，硅芯片在人类社会的每一个角落无不闪烁着它的光辉。

　　第二代半导体材料概述

　　第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；还有一些固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半导体（又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。

　　第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。因信息高速公路和互联网的兴起，还被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和GPS导航等领域。

　　第三代半导体材料概述

　　第三代半导体材料主要以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带（Eg》2.3eV）半导体材料。在应用方面，根据第三代半导体的发展情况，其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域，每个领域产业成熟度各不相同。在前沿研究领域，宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。

　　和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有宽的禁带宽度，高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2ev），也称为高温半导体材料。

　　第三代半导体材料应用领域

　　1、半导体照明

　　蓝光LED在用衬底材料来划分技术路线。GaN基半导体，衬底材料的选择就只剩下蓝宝石（（Al2O3）、SiC、Si、GaN以及AlN。后两者产业化为时尚远，我们讨论下前三者。总的来说，三种材料各有千秋。蓝宝石应用最广，成本较低，不过导电性差、热导率低；单晶硅衬底尺寸最大、成本最低，但先天巨大的晶格失配与热失配；碳化硅性能优越，但衬底本身的制备技术拉后腿。

　　全球LED衬底市场分析：普莱西、晶能光电和三星主要使用硅衬底，但是技术起步晚，目前产业规模较小，市场占有率低；Cree公司主要采用碳化硅衬底，但是由于其成本问题，加上专利垄断，几乎没有其他企业涉足。中村修二领导的Soraa公司据知正在采用氮化镓（GaN）衬底，这是良好的LED衬底材料，但是比蓝宝石更昂贵，并且生产尺寸也受到限制，也不能够被大量采用。因此，蓝宝石衬底得以迅速发展，占据主流市场。

　　根据IHS最新研究情报显示，在2015年全球96.3%的LED生产均采用蓝宝石衬底，预计到2020年该数据将会上升到96.7%。2015年主要得益于价格下跌，蓝宝石应用市场才得以提振。尤其是4英寸晶圆在2015年占据了55%的市场份额，其中9.9%是被三星、首尔半导体、晶元光电等大厂分割；6英寸晶圆产能也持续增长，主要以欧司朗、Lumileds公司、LG化学和科锐等厂商为首选。

　　2、功率器件

　　许多公司开始研发SiC MOSFET，包括科锐（Cree）旗下Wolfspeed（被Infineon收购）、罗姆、意法半导体、三菱和通用电气。与此相反，进入GaN市场中的玩家较少，起步较晚。

　　2015年，SiC功率半导体市场（包括二极管和晶体管）规模约为2亿美元，到2021年，其市场规模预计将超过5.5亿美元，这期间的复合年均增长率预计将达19%。毫无悬念，消耗大量二极管的功率因素校正（PFC）电源市场，仍将是SiC功率半导体最主要的应用。

　　目前市场上主要GaN产品是应用于高功率密度DC/DC电源的40-200伏增强性高电子迁移率异质节晶体管（HEMT）和600伏HEMT混合串联开关，国外厂商主要有EPC、IR、Transphorm、Panasonic、ExaGaN、GaN Systems等公司。中国GaN相关企业有IDM公司中航微电子、苏州能讯，材料厂商中稼半导体、三安光电、杭州士兰微等公司。

　　3、微波器件

　　微波器件方面，GaN高频大功率微波器件已开始用于军用雷达、智能武器和通信系统等方面。在未来，GaN微波器件有望用于4G～5G移动通讯基站等民用领域。

　　市调公司预测，2016～2020年GaN射频器件市场将扩大至目前的2倍，市场复合年增长率（CAGR）将达到4%；2020年末，市场规模将扩大至目前的2.5倍。

　　GaN在国防领域的应用主要包括IED干扰器、军事通讯、雷达、电子对抗等。GaN将在越来越多的国防产品中得到应用，充分体现其在提高功率、缩小体积和简化设计方面的巨大优势。

　　4、激光器和探测器

　　在激光器和探测器应用领域，GaN激光器已经成功用于蓝光DVD，蓝光和绿色的激光将来巨大的市场空间在微型投影、激光3D投影等投影显示领域，蓝色激光器和绿光激光器产值约为2亿美元，如果技术瓶颈得到突破，潜在产值将达到500亿美元。2014年诺贝尔奖获得者中村修二认为下一代照明技术应该是基于GaN激光器的“激光照明”，有望将照明和显示融合发展。目前，只有国外的日本日亚公司（Nichia）、和德国的欧司朗（Osram）等公司能够提供商品化的GaN基激光器。

　　由于氮化镓优异的光电特性和耐辐射性能，还可以用作高能射线探测器。GaN基紫外探测器可用于导弹预警、卫星秘密通信、各种环境监测、化学生物探测等领域，例如核辐射探测器，X射线成像仪等，但尚未实现产业化。

　　我国发展第三代半导体材料展望

　　现在已经发展到第三代半导体材料，但是第一代与第二代半导体材料仍在广泛使用。为什么第二代的出现没有取代第一代呢？第三代半导体是否可以全面取代传统的半导体材料呢？

　　Si和化合物半导体是两种互补的材料，化合物的某些性能优点弥补了Si晶体的缺点，而Si晶体的生产工艺又明显的有不可取代的优势，且两者在应用领域都有一定的局限性，因此在半导体的应用上常常采用兼容手段将这二者兼容，取各自的优点，从而生产出符合更高要求的产品，如高可靠、高速度的国防军事产品。因此第一、二代是一种长期共同的状态。

　　但是第三代宽禁带半导体材料，可以被广泛应用在各个领域，消费电子、照明、新能源汽车、导弹、卫星等，且具备众多的优良性能可突破第一、二代半导体材料的发展瓶颈，故被市场看好的同时，随着技术的发展有望全面取代第一、二代半导体材料。

　　我国在第三半导体材料上的起步比较晚，且相对国外的技术水平较低。这是一次弯道超车的机会，但是我国需要面对的困难和挑战还是很多的。