随着近年来第三代半导体的快速发展，在投资热潮过后，相应的产品逐渐进入大众生活。

简单来说，第三代半导体是指以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、金刚石、氧化锌(ZnO)为代表的宽带隙半导体材料。与我们熟悉的第一代和第二代半导体材料硅(Si)和砷化镓(GaAs)相比，第三代半导体具有宽带隙、高击穿电场、高热导率、高电子饱和漂移速度和低介电常数等独特性能，这使其在光电器件、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器等方面显示出巨大的潜力。，是全世界半导体研究领域的热点。

在2020微峰会上，西安电子科技大学微电子研究所教授、博士生导师张锦程在《第三代半导体电子器件技术与产业发展现状及趋势》的报告中提到:“在中美贸易摩擦加剧和摩尔定律的背景下，底层材料尤其是第三代半导体材料的研发，给了中国在半导体领域弯道超车的可能。”

与摩尔定律引领的国外先进制造工艺相比，中国有2-3代的巨大差距。未来，在摩尔定律接近极限的前提下，开展新材料研发将是半导体产业的突破口之一，也是中国弯道超车的好机会。

第三代半导体的优势在哪里？

事实上，半导体已经经历了三代的发展。第一代是40、50年代以锗、硅为代表的IV族半导体材料，将人类带入了电子晶体管收音机时代。第二代从六七十年代开始，III-V半导体的发展打开了光电和微波应用。

第三代半导体材料最早出现在20世纪80年代，以碳化硅SiC和氮化镓GaN为代表，导致资源和能源节约，催生了新型照明和显示等新的应用需求和产业。

其实第三代半导体材料早就出现了。一般这些材料的真正应用至少需要十年的潜伏期。GaN和碳化硅属于第三代半导体材料，此外，第三代半导体材料还包括ZnO、GaO氧化镓等。

例如，电子产品的核心部分包括计算逻辑器件(如CPU和GPU)、存储部件(RAM和硬盘)以及提供电源和控制的模块。电子产品中各类器件的基础材料主要是硅-Si，第三代半导体是为未来提供比硅-Si材料更好的器件核心材料。

张熙金城表示:“经过几十年的发展，硅材料的研究已经非常成熟，硅材料制成的器件的设计和开发也经历了几代的优化和更新。不可否认，硅材料的极限已经逐渐显现。”

因此，随着半导体工业的发展，找到比硅更先进的材料将是关键。以GaN和SiC为代表的第三代半导体具有优异的材料物理性能，为进一步提高电力电子器件的性能提供了更大的空空间。

以氮化镓为代表的第三代半导体材料具有宽带隙、高击穿电场、高热导率、高电子饱和漂移速度、低介电常数等独特性能。简单来说，氮化镓制成的器件比硅器件能耗更低，效率更高。

随着硅器件接近其理论极限，由第三代半导体材料制成的器件的性能优于硅Si和砷化镓GaAs。张熙金城认为:“与硅材料相比，第三代半导体材料可以使器件更小、更快、更可靠、更高效。它不仅降低了设备的质量、体积和生命周期成本，还可以让设备在更高的温度、电压和频率下工作，从而实现节能，实现更高的性能。”

5G射频推动氮化镓快速生长

第三代半导体材料应用范围广，在家用电器、电力电子设备、新能源汽车、工业生产设备、高压直流输电设备、手机基站等系统中具有广阔的应用前景。

但从应用领域来说，又可以分为射频器件和功率器件两种。随着新基础设施政策的实施和中国5G网络的大规模建设，5G射频的市场潜力将是巨大的。

目前，从市场前景来看，中国正在加速5G的商用，尤其是今年的5G网络部署计划更是惊人。显然，国内的基站建设正在逐步扩大，国内的需求将远大于国外。

根据规划，预计2020年5G新基站将超过80w，大部分采用“宏基站为主，小基站为辅”的组网模式。商用5G宏基站将以64路大规模阵列天线为主，单基站PA(射频功率放大器)需求接近200，而基站功率放大器主要是LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)技术。但是LDMOS技术适用于低频段，在高频领域有局限性。

张熙·金城指出:“氮化镓GaN在功率密度上的优势使其芯片体积大大缩小。在5G这样的大功率高频射频应用中，可以获得更高的带宽、更快的传输速率和更低的功耗。”

GaN将逐渐取代LDMOS的市场份额

“同等性能下，GaN射频芯片面积比GaAs芯片低10倍，比硅基LDMOS芯片低7倍。”张锦程补充道。“LDMOS功率放大器的带宽会随着频率的提高而大大降低，只在不超过3.5GHz的频率范围内有效，相比之下GaN射频器件可以有效满足高功率、高通信频段、高效率的要求。”

在5G时代对高频高速射频器件的要求下，GaN射频器件有了机会，将成为主流，进一步压缩LDMOS市场空。众所周知，GaN可以很好地应用于大规模MIMO(多输入多输出)信道。为了充分利用空之间的资源，提高频谱效率和功率效率，在基站侧安装数百或数千个天线，实现大量天线同时发送和接收数据。

张锦程表示，“5G基站将采用多发射多接收的天线阵列方案，GaN射频器件可以有效降低天线系统的功耗和尺寸。”单个5G宏基站中的RF PA数量翻倍将推动GaN RF设备的市场规模扩大。

目前，5G分发网络采用“宏基站为主，小基站为辅”的组网模式，是网络广而深覆盖的重要方式。除了宏基站，小微基站也是5G网络的重要组成部分。实际上，由于5G主要采用3.5G及以上频段，在室外场景下覆盖范围更小，由于建筑物等的遮挡，信号衰减更明显。，所以宏基站布局的成本更高。此外，宏基站占地面积大，很难布置场地。因此，5G网络的建设充分利用了小型基站简单快速的特点，使其与宏基站合作组网。这是实现成本和网络的最佳方案。

随着5G网络的建设如火如荼，含GaN的基站射频PA存在巨大的爆发式增长机会。目前，2019年中国5G宏基站PA使用数量达到1843.2万，预计2020年将达到7372.8万，同比增长4倍。预计今年，基于GaN技术的基站PA比例将从去年的50%达到58%。

此外，在当前国际环境的压力下，国内通信设备龙头华为、中兴相信也会加大基站PA的自研和国内厂商的采购规模。这将惠及所有与5G射频设备相关的公司。

据Yole预测，2023年基站GaN射频市场规模将达到5.2亿美元，年复合增长率为22.8%。未来随着GaN的技术进步和规模发展，GaN PA的渗透率有望持续提升，预计到2023年市场渗透率将超过85%。

弯道超车，机会来了？

目前，随着中美贸易摩擦的加剧，美国对以华为为首的中国科技公司的制裁越来越多，制约了对美国技术、软件和材料的围剿。显然，在摩尔定律下，中国和国外的差距至少是2-3代。另外，由于美国的技术封锁，在这条路上基本不可能快速赶上。

事实上，大多数业内人士认为，6nm的传统硅晶体工艺已经接近其性能极限。如今，基于摩尔定律的硅材料发展遇到了瓶颈。目前全球能量产7nm的晶圆厂只有两家，TSMC和三星，5nm是TSMC。对于5nm以下更先进工艺的探索和研究，确实只剩下TSMC和三星了。英特尔和辛格等制造商基本上已经退出了更先进工艺的研发。

说明这种单一的追求过程精度的方式，目前还不能无限延续下去。一方面，需要投入巨大的RD资金，工艺精度的提高会越来越困难。另一方面，工艺精度的提高带来的性能提升会比以前少很多。

摩尔定律的核心内容:在价格不变的情况下，每隔18-24个月，一个集成电路上可以容纳的元件数量就会增加一倍，性能也会提高一倍。显然，摩尔定律在硅材料时代的发展已经到了极限。如果半导体要继续遵循摩尔定律，底层材料的突破就变得尤为重要。

美国、欧盟、日韩等国家和地区组织通过制定RD项目引导产业发展。他们认为主要有两种方法可以取得突破。一是底层材料的突破，第三代半导体材料是关键，除了氮化镓和砷化镓，碳化硅也是重要方向；二是采用SIP等高密度封装方式，满足一定时间内性能提升的需求。

国内半导体行业不断响起国产替代和自主可控的声音，第三代半导体的崛起将是重要的出路，这似乎给了我们在半导体领域弯道超车的机会。

一方面，进入了第三代半导体产业的最佳发展窗口期。虽然包括美国、日本、欧盟在内的国外已经开展了相关的研究和应用，但是半导体产业和设备等国际巨头还没有完全形成产业、专利、标准、生态的垄断，窗口期至少在3年左右。

另一方面，LED的发展使我国具备了第三代半导体的产业基础，尤其是氮化镓，不仅有一定的技术和产业积累，而且在制造设备、产业链配套、人才队伍建设等方面，我国都有很好的基础。

张熙金城透露了第三代半导体制造要求的关键:“以氮化镓射频器件为例，它并不依赖于先进的技术。即使不采用14nm甚至更先进的工艺，也能实现适用于器件整个频段的先进性能，关键还是材料。”

他接着补充道:“虽然我们在微电子制造方面离世界水平还有很大差距，但第三代半功率器件只是采用了6英寸和8英寸导线的工艺。先进的器件性能可以通过使用反向工艺尺寸来实现。”这就为我们第三代半导体产业的发展解决了制造问题，不会像手机等电子产品芯片的制造那样卡住。

最后，中国仍然拥有世界上最广泛、最强大的市场拉力，多样化的需求可以为第三大半导体的未来发展注入动力。目前，中国已经开始建设世界上最大、最复杂、发展最快的能源互联网，已经建成和正在建设世界上运营速度最高、运营里程最长、效益最好的高速轨道交通，正在发展世界上发展最快的新能源汽车，世界上最大的5G移动通信，世界上产能最大、市场最大的半导体照明产业。上述所有应用都需要第三代半导体材料和器件的支持。

有人粗略计算，如果按照行业的市场拉动来计算，第三代半导体在射频器件和功率器件两大领域的市场规模将达到近5000-10000亿美元。在国外压力技术封锁的外部环境下，国家一系列半导体发展政策，加上国内原有技术产业的积累，相信第三代半导体产业的厂商一定能够闯出自己的一片天地，带领我国半导体实现弯道超车，成功的几率很大。