“摩爾定律”引領(lǐng)著半導(dǎo)體快速發(fā)展，布局第三代半導(dǎo)體已刻不容緩

二十一世紀以來，以氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)、氧化鋅(ZnO)、金剛石為四大代表的第三代半導(dǎo)體材料開始初露頭角。第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的導(dǎo)熱率、更高的抗輻射能力、更大的電子飽和漂移速率等特性。第三代半導(dǎo)體材料可以實現(xiàn)更好的電子濃度和運動控制 ，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率電子器件，在光電子和微電子領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。目前，市場火熱的5G基站、新能源汽車和快充等都是第三代半導(dǎo)體的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

1、半導(dǎo)體的工作原理

要理解這些，我們要從什么是半導(dǎo)體說起。半導(dǎo)體，顧名思義，就是導(dǎo)電性在絕緣體和導(dǎo)體之間的物體。導(dǎo)體能導(dǎo)電，意思就是能夠讓電流通過。而中學(xué)物理告訴我們，電流就是自由電子在電場力的作用下做定向運動形成的。所以，導(dǎo)體中必須有大量的自由電子。那么這些自由電子怎么來的呢?我們知道，物質(zhì)是由分子構(gòu)成的，分子是由原子構(gòu)成的，原子是由原子核以及圍繞在周圍的電子構(gòu)成的。原子核帶正電荷，電子帶負電荷，異性相吸，所以電子圍繞在原子核周圍不停地轉(zhuǎn)。

第三代半導(dǎo)體概念，這是近期A股的高光賽道之一，看到這，有些朋友就開始納悶了，第一代和第二代半導(dǎo)體都不知道是啥，咋就這么快到第三代了?有道是“江山代有才人出”，日新月異的科技領(lǐng)域更是如此，那么，第三代半導(dǎo)體究竟是啥?

在說第三代半導(dǎo)體之前，先簡簡單單地了解一下第一代和第二代半導(dǎo)體：

1、第一代半導(dǎo)體

第一代半導(dǎo)體的一代目是硅(Si)和鍺(Ge)，其中，鍺(Ge)是20世紀50年代半導(dǎo)體的絕對主角，到了20世紀60年代后期，鍺(Ge)的地位則是逐漸被硅(Si)所取代，犀利的是——截止目前，硅(Si)仍是相當重要的半導(dǎo)體材料，還沒有半導(dǎo)體能夠灑脫地離開硅(Si)而揚長而去。硅(Si)之所以如此重要，是因為CPU和GPU的算力強弱取決于硅的段位。

在這里，順帶科普一下硅，硅，英文名稱Silicon，化學(xué)符號是Si，屬于元素周期表上第三周期，IVA族的類金屬元素。

1787年，法國著名化學(xué)家、生物學(xué)家，有著"現(xiàn)代化學(xué)之父"尊稱的安托萬-洛朗·拉瓦錫(Antoine-Laurent de Lavoisier，1743年8月26日～1794年5月8日)在巖石之中首次發(fā)現(xiàn)硅的存在，硅是組成巖石礦物的一個基本元素。據(jù)悉，硅在大自然乃至全宇宙都是神奇般的存在，存在感爆棚，它是地殼之中僅次于氧的第二豐富元素，在茫茫宇宙之中，硅的儲量也能位居TOP10的第8位。

不過，需要明確的一點是——雖然硅存在感爆棚，但是極少以單質(zhì)形式存在，而是硅酸鹽(Silicate)或二氧化硅(SiO)的形式，也就是說，單質(zhì)硅需要通過實驗或工業(yè)制取，用于半導(dǎo)體的硅主要包括硅多晶、硅單晶、硅片、硅外延片、非晶硅薄膜等。

2、第二代半導(dǎo)體

第二代半導(dǎo)體的二代目是砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)，其中，砷化鎵(GaAs)屬于Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，1964年開始進入實用階段，用砷化鎵制成的半導(dǎo)體器件具有高頻、高溫、低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強等優(yōu)勢，不過，砷化鎵單晶的價格較為昂貴，故此，被業(yè)界稱為“半導(dǎo)體貴族”。

磷化銦(InP)則是由金屬銦和紅磷(Phosphorus red)在石英管中加熱反應(yīng)制得，屬于Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料之一，磷化銦半導(dǎo)體器件廣泛應(yīng)用于微波通信、光纖通信、光電集成電路、外層空間用太陽能電池等領(lǐng)域。

了解了第一代和第二代半導(dǎo)體之后，就可以上第三代半導(dǎo)體的硬菜了。目前，第三代半導(dǎo)體的三代目是氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)，基于此，在二級市場之中，還形成了兩個分支賽道，就是氮化鎵概念和碳化硅概念。

氮化鎵是氮和鎵的化合物，是一種直接能隙(direct bandgap)的半導(dǎo)體，1990年起，氮化鎵被應(yīng)用于發(fā)光二極管(light-emitting diode)，也就是平常簡稱的LED，說到LED，還有一個榮譽小故事，那就是——2014年，日本著名的半導(dǎo)體科學(xué)家赤崎勇與他的弟子天野浩(日本電子工程學(xué)專家)以及美籍日裔科學(xué)家中村修二(美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校教授)，基于氮化鎵發(fā)明了了高亮度藍色LED，喜獲得當年的諾貝爾物理獎。

目前，氮化鎵在日常之中的民品應(yīng)用便是氮化鎵充電器，此前，二級市場炒作氮化鎵概念的驅(qū)動因素之一便是氮化鎵充電器，據(jù)悉，多家知名手機品牌已推出氮化鎵充電器，有體積小、功率大、耐高溫等優(yōu)勢，不過成本相對高，這是因為氮化鎵的人工制備成本相對高昂。

此外，碳化硅是1891年美國人愛德華·古德里?！ぐ孢d在電熔金剛石實驗之中偶然發(fā)現(xiàn)，因此還誤以為是金剛石的混合體，碳化硅制成的功率器件有高電壓、高頻率、低損耗等優(yōu)勢，可應(yīng)用于智能電網(wǎng)、軌道交通、新能源車充電樁電源等領(lǐng)域。

過去幾十年，“摩爾定律”一直引領(lǐng)著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但隨著半導(dǎo)體工藝演進到今天，每前進一代，工藝技術(shù)的復(fù)雜程度呈指數(shù)級上升。就半導(dǎo)體材料而言，隨著第一、二代半導(dǎo)體材料工藝已經(jīng)接近物理極限，其技術(shù)研發(fā)費用劇增、制造節(jié)點的更新難度越來越大，從經(jīng)濟效益來看，“摩爾定律”正在逐漸失效。半導(dǎo)體業(yè)界紛紛在新型材料和器件上尋求突破，TSMC、Intel和Samsung等半導(dǎo)體大廠開始尋找新的方法來延續(xù)高速成長，“超越摩爾定律”的時代已經(jīng)到來。以新原理、新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝為特征的“超越摩爾定律”為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了新的機遇，而第三代半導(dǎo)體是“超越摩爾定律”的重要發(fā)展方向。

“新基建”風(fēng)口的到來也為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了新的機遇。2020年4月20日，國家發(fā)改委正式明確“新基建”的范圍，“新基建”的發(fā)展既符合未來經(jīng)濟社會發(fā)展趨勢，又適應(yīng)中國當前社會經(jīng)濟發(fā)展階段和轉(zhuǎn)型需求，在補短板的同時將成為社會經(jīng)濟發(fā)展的新引擎。

在芯片缺貨漲價潮愈演愈烈的刺激下，今日A股市場半導(dǎo)體封測、半導(dǎo)體硅片、第三代半導(dǎo)體、半導(dǎo)體設(shè)備等板塊全線大漲。高盛最新研究報告指出，全球有多達169個行業(yè)在一定程度上受到芯片短缺影響，從汽車、鋼鐵產(chǎn)品、混凝土生產(chǎn)到空調(diào)制造，甚至包括肥皂生產(chǎn)。而全球“缺芯”加劇，讓漲價勢在必行。“買不到”和“買不起”已成為不少下游企業(yè)共同面臨的困境。

第三代半導(dǎo)體材料是支撐經(jīng)濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性和基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，是國家新材料發(fā)展計劃的重中之重?！笆奈濉逼陂g，我國將在教育、科研、開發(fā)、融資、應(yīng)用等方面，大力支持發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，以期實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。在應(yīng)用升級和政策驅(qū)動的雙重帶動下，我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將迎來發(fā)展熱潮。