2021年达摩院十大科技趋势报告（37页）

行业报告下载 2021年01月05日 08:52 4 管理员

半导体产业发展到今天，主要建立在三代材料的基础上：兴起于20世纪50年代的基于硅（Si）、锗（Ge）的第一代半导体；兴起于20世纪80年代的以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体；以及兴起于20世纪末的以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体。目前，第一代半导体材料Si应用最为广泛，它构成了一切逻辑器件的基础，CPU、GPU所提供的算力都离不开Si的功劳。第二代半导体主要用于高频高速场景，例如手机中的射频电路。第三代半导体相比于前两代半导体具有更宽的禁带宽度，因此也称作宽禁带半导体。更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压、更快的开关频率下运行，因此第三代半导体具备耐高温、耐高压、高频率、大功率、抗辐射等优异特性，可以用作功率器件和射频器件，广泛应用于5G基站、新能源汽车、特高压、消费电子、航空航天、数据中心等领域。

此外，较宽的禁带宽度使第三代半导体可用作制备短波长光电器件，例如可用于医疗消毒的紫外光源。由于制造设备、制备工艺特别是材料成本上的劣势，多年来第三代半导体材料只是在小范围内应用。直至近几年这一局面才得以打破：一方面，在5G、新能源汽车等新兴市场中，Si基半导体的性能已无法完全满足需求，第三代半导体的性能优势被放大；另一方面，制备技术特别是大尺寸材料生长技术不断突破，SiC和GaN两种材料均从4英寸换代到6英寸并已研发出8英寸样品，加之器件制备技术逐步提升，使得第三代半导体器件性能日益稳定且成本不断下降，性价比优势逐渐显现。目前，第三代半导体已经出现在应用市场：一些新能源汽车在逆变器中应用 SiC功率器件提升电能转换效率，进而提升续航里程；不在少数的电子消费厂商推出了GaN快速充电器，价格不贵，体积很小，一个快充头可以支撑手机、电脑等多设备快速充电。未来5年，除现有的电动汽车和消费电子外，预计工业充电、5G高频器件以及可再生能源和储能领域的电源应用都将从第三代半导体的发展中受益，尤其是在高频高压应用中将竞争性取代原有的Si器件。