摘　要

第三代半导体是以碳化硅和氮化镓为代表，具备高频率、高效率、高功率、耐高压、耐高温、高导热等优越性能，是新一代移动通信、新能源汽车、高速轨道列车、能源互联网产业自主创新发展和转型升级的重点核心材料。通过大力发展第三代半导体，尤其是目前大量应用的碳化硅和氮化镓，以及探索新一代半导体材料，对支撑碳达峰、碳中和意义重大。

引言

在“双碳”目标的实现过程中，我国的各个行业都赋予了新的活力，并新兴了全新的商业模式。在“双碳”的背景下，产业结构将面临深刻的低碳转型挑战，能源技术将会引领能源产业变革，实现创新驱动发展[1]。大数据、区块链、人工智能等新技术的快速使用，带动了数字经济的高速发展，使得半导体行业更要朝着高性能、低功耗的目标发展，从而带动消费电子、医疗电子、电力电子、国防装备电子的更新换代和产业升级。

第三代半导体材料是以碳化硅、氮化镓为代表，与前两代半导体材料相比最大的优势是有着较宽的禁带宽度，保证了其更高的可击穿电场强度，适合制备耐高压、高频的功率器件，是电动汽车、5G基站、卫星、电力电子和航空航天等新兴领域的理想材料，表1为几种半导体材料的性能参数。

碳化硅材料具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高热导率等特点，碳化硅器件可适用于高频高温的工作场景，相较于硅器件可以显著降低性能损耗。因此，以碳化硅材料制造的高耐压、大功率电力电子器件，如MOSFET（Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（InsulatedGateBipolarTranslator，绝缘栅门极晶体管）、SBD（SchottkyBarrierDiodes，肖特基二极管）等，用于智能电网、新能源汽车等新兴产业。与硅器件相比，氮化镓材料具备高临界磁场、高电子饱和速度与极高的电子迁移率等性能，适用于5G通信、微波射频等领域的应用。

第三代半导体属于后摩尔定律概念，制程和设备要求相对不高，难点在于第三代半导体材料的制备，同时在设计上没有优势。多年来第三代半导体材料只是在小范围得以应用，其制造设备昂贵、制造工艺难度高以及成本高，无法挑战Si基半导体的统治地位。但随着“双碳”战略定位，和产业升级的需要，低功耗、高效率、高性能的电子器件必定大有可为，而低功耗、高效率、高性能正是三代半导体最大的特点（如图1所示），相信在未来一段时间将是三代半导体的快速发展期。

国家“双碳”目标的落地依赖电力系统的改革。第三代半导体功率芯片和器件的固有特性，决定了其在实现光伏、风力等新能源发电、直流特高压输电、新能源汽车等电动化交通、工业电源、民用家电等领域的电能高效转换优势。

目前电网在新能源发电以及输变电环节的电力电子设备中所使用的基本都还是硅基器件，而硅基器件的参数性能已接近其材料的物理极限，因而无法担负起支撑大规模清洁能源生产传输和消纳吸收的重任。

碳化硅材料制成的功率半导体器件，以其高压高频高温高速的优良特性，能够大幅提升支撑清洁能源为主体的新型电力系统建设运行所需各类电力电子设备的能量密度，降低成本造价，增强可靠性和适用性，提高电能转换效率，降低损耗。

针对第三代功率半导体器件（碳化硅和氮化镓两大材料体系）需求，加速实现第三代半导体全产业链的自主可控发展，包括：尽快实现高性能6英寸和8英寸碳化硅单晶衬底和外延材料及其功率器件的量产、6英寸和8英寸硅基氮化镓外延材料及其功率器件的量产、高性能封装的器件和模块量产，以及单晶衬底生长、加工、芯片工艺、封装、测试等核心检测仪器和装备的国产化。加强产业链建设，从衬底、外延、芯片到封装、控制器设计制造以及应用等各环节实现全寿命周期的低碳甚至零碳战略。原材料、芯片和器件自主可控是第三代宽禁带功率半导体产业健康发展的基石，也是全产业链落实双碳战略目标的保障。

GaN进展分析

氮化镓是一种直接带隙半导体，大部分应用于微波射频、电力和光电子三大领域。受通信基础设施建设和国防事业应用推动，加上卫星通信、有线宽带和射频功率的发展增长，根据测算氮化镓射频市场将从年的6.45亿美元增长到年的约50亿美元。现行电动汽车的特点是耗电型电驱动，传统的12V配电总线负担增加，对于48V总线系统，氮化镓技术可提高效率、减小尺寸并降低生产成本。

综合来看，氮化镓在汽车电子方面拥有广大的应用场景。氮化镓充电器具有体积小、功率高、导热性好和支持PD（PowerDelivery，功率传输）协议等优势，将会在未来垄断笔记本电脑和手机等充电器市场[2]。随着中国厂商在65W快速充电器中采用GaNHEMT（HighElectronMobilityTransistor，高电子迁移率晶体管），功率型氮化镓产品正在进入主流消费电子应用。

目前，氮化镓的制备主要是采用异质外延制备工艺，在异质材料上面外延生长氮化镓层，技术可靠，能实现产业化。氮化镓外延层主要通过金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、卤化物气相外延(HVPE)、分子束外延技术(MBE)以及悬空外延术(Pendeo-epitaxy)等工艺方式制备，其中制备质量效率最高的是金属有机化学汽相沉积法技术，具有纯度高、外延层薄、平整性好、易量产等优点。

随着大数据运算、新能源汽车、5G通讯以及智能制造等领域崛起，无线充电、无人驾驶等领域应用的兴起，对功率器件的运算处理性能提出了更高的要求。半导体厂家对于材料的选择快速锁定性能优异的氮化镓，于是氮化镓器件的收并购、产业整合等发生了巨大变化，氮化镓功率半导体已逐步成为

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