禁帶寬度，是用來區分不同代際半導體的關鍵參數。

 

作為第三代半導體，氮化鎵和碳化硅的禁帶寬度分別為3.39電子伏特和3.26電子伏特，較高的禁帶寬度非常適合高壓器件應用。氮化鎵電子飽和速度高，是硅的2.5倍，是砷化鎵的2倍，非常適合做微波器件，比如手機內的射頻前端放大器、5G基站以及微波雷達。微波雷達并不限于應用在航天航空和國防領域，將來在新能源汽車自動駕駛里也有應用潛力，可利用它精確感知障礙物，指導自動駕駛數據及時調整。

 

此外，氮化鎵還可用做功率開關器件，開關速度越快，電源轉換系統就可以做得更小，功耗也能降低。手機充電器里就有功率開關器件，可以把220伏的交流電轉化為5伏直流電，然后給手機充電。“現在受到歡迎的小型快速充電器，就用了氮化鎵功率開關器件，未來還有望用于無線充電器。”

 

不過，氮化鎵也有局限，需要在藍寶石、硅、碳化硅等襯底上異質外延生長。由于材料不同，熱膨脹系數和晶格常數不匹配，會造成異質外延材料缺陷高。這時候，碳化硅的優勢就顯現出來了。碳化硅晶體可以在碳化硅襯底上同質生長，缺陷密度低，可以充分發揮碳化硅耐高壓特性，器件耐壓能力很容易達到1200伏—1700伏。碳化硅功率開關器件適合高溫、高壓、大功率應用場景，未來將與“基于硅的絕緣柵雙極晶體管”形成市場競爭，目前主要應用在電動車和充電樁。“碳化硅已經用于特斯拉電動車，將來也適用于電網、機車牽引以及航天航空領域。”

 

第三代半導體之前僅小范圍應用，為何這兩年會成為爆發的節點？“其實我國的半導體設計能力并不弱，比如，華為就自主研發了7納米麒麟芯片。我國的集成電路行業‘短板’主要集中在原材料、設計軟件和制造設備上，所以才導致小尺寸硅集成電路加工受制于人。而第三代半導體，器件完全可以采用現有的大尺寸器件加工平臺完成，例如，功率開關器件，只需0.35微米—0.5微米加工工藝，制造線稍加改造調整即可。第三代半導體的應用大爆發，也可以看作是‘彎道超車’，希望我們國家在這方面贏得時機，跑在前面。”專家稱。據介紹，中車集團和上海積塔半導體都在建設6英寸碳化硅生產線。

 

第三代半導體之后，什么材料會再領風騷？“絕緣體的禁帶寬度很大，很難通過摻雜使其導電。但近年來隨著技術的不斷發展，有些絕緣體也可以當作半導體使用，因此被認為是第3.5代半導體。”

 

比如，金剛石和氮化鋁，它們的禁帶寬度分別為5.45電子伏特和6.2電子伏特，非常適合于高溫、高輻射等極端環境下的功率開關器件應用。“不過，要想合成單晶、大尺寸的金剛石還非常困難，道路還很長。”專家說。