原创 AMEYA360：半导体材料分种类众多 市场规模稳健增长

半导体材料发展至今已经历三个阶段。常见的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）等元素半导体及砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等化合物半导体材料，从被研究和规模化应用的时间先后顺序来看，上述半导体材料被业内通俗地划分为三代。第一代半导体材料从 20 世纪 50 年代开始大规模应用，以硅（Si）、锗（Ge）为代表。该类材料产业链较为成熟，技术储备完善且制作成本较低，目前主要应用于大规模集成电路中，主要产品包括低压、低频、低功率的晶体管和探测器。硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料，90%以上的半导体产品是用硅基材料制作。

第二代半导体材料从 20 世纪 90 年代开始大规模应用，以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表。随着半导体产业的发展，硅材料的物理瓶颈日益显现，其物理性质限制了在光电子和高频高功率器件上的应用。第二代半导体材料在物理结构上具备直接带隙的特点，相对于硅基材料具有光电性能佳、工作频率高，抗高温、抗辐射等优势，适用于制作高速高频、大功率及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料，广泛运用于移动通讯、卫星通讯、光通讯和 GPS 导航等领域。第三代半导体是以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的化合物半导体，该类半导体材料禁带宽度大于或等于 2.3eV，因此也被称为宽禁带半导体材料。第三代半导体在禁带宽度、击穿电场、热导率、电子饱和速率、抗辐射能力等关键参数方面具有显著优势，满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求。因此，第三代半导体主要被用于制作高速、高频、大功率及发光电子元器件，下游应用领域包括智能电网、新能源汽车、光伏风电、5G 通信等。

SiC 材料介绍。SiC，是一种无机物，化学式为 SiC，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色 SiC 时需要加食盐）等原料通过电阻炉高温冶炼而成。SiC 在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。在 C、N、B 等非氧化物高技术耐火原料中，SiC 为应用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂。 SiC 有望成为半导体材料领域最具前景的材料之一。与硅器件相比，以SiC 为衬底制成的功率器件具有耐高压、耐高温和低能量损耗等电气性能，是最具发展前景的半导体材料之一。SiC 优越的电气特性包括如下方面：

1 耐高压。由于 SiC 的击穿电场强度是硅的 10 余倍，使用SiC 制备器件能够进一步提升耐压容量、工作频率以及电流密度，同时大幅降低器件的导通损耗。2 耐高温。随着禁带宽度越大，器件的极限工作温度越高，由于SiC 的禁带接近硅的3 倍，SiC 的极限工作温度较硅将有明显的提升，可以达到600℃以上。同时，SiC的热导率比硅更高，有助于降低对散热系统的要求，使终端可以更加轻量和小型化。3 低能量损耗。SiC 具有 2 倍于硅的饱和电子漂移速率，相较于硅材料具有极低的导通电阻，导通损耗低；同时，SiC 具有接近 3 倍于硅的禁带宽度，泄漏电流比硅器件大幅减少，能够进一步降低功率损耗；此外，SiC 器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，大幅提高实际应用的开关频率。