“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(jì)以來(lái)，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(shí)現(xiàn)更好的電子濃度和運(yùn)動(dòng)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(jià)值。目前，市場(chǎng)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(shuō)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(guò)。而中學(xué)物理告訴我們，電流就是自由電子在電場(chǎng)力的作用下做定向運(yùn)動(dòng)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(lái)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(fù)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(shuō)第三代半導(dǎo)體之前，先簡(jiǎn)簡(jiǎn)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(jì)50年代半導(dǎo)體的絕對(duì)主角，到了20世紀(jì)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(dāng)重要的半導(dǎo)體材料，還沒有半導(dǎo)體能夠?yàn)⒚摰仉x開硅(Si)而揚(yáng)長(zhǎng)而去。硅(Si)之所以如此重要，是因?yàn)镃PU和GPU的算力強(qiáng)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(hào)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(guó)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(wàn)-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(gè)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(chǔ)量也能位居TOP10的第8位。

不過(guò)，需要明確的一點(diǎn)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(shuō)，單質(zhì)硅需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(jìn)入實(shí)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(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，不過(guò)，砷化鎵單晶的價(jià)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(yáng)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(jí)市場(chǎng)之中，還形成了兩個(gè)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(jiǎn)稱的LED，說(shuō)到LED，還有一個(gè)榮譽(yù)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(guó)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(lán)色LED，喜獲得當(dāng)年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。

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(jí)市場(chǎng)炒作氮化鎵概念的驅(qū)動(dòng)因素之一便是氮化鎵充電器，據(jù)悉，多家知名手機(jī)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(shì)，不過(guò)成本相對(duì)高，這是因?yàn)榈壍娜斯ぶ苽涑杀鞠鄬?duì)高昂。

此外，碳化硅是1891年美國(guó)人愛德華·古德里?！ぐ孢d在電熔金剛石實(shí)驗(yàn)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(shì)，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(guò)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(jìn)到今天，每前進(jìn)一代，工藝技術(shù)的復(fù)雜程度呈指數(shù)級(jí)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(fèi)用劇增、制造節(jié)點(diǎn)的更新難度越來(lái)越大，從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)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(lái)延續(xù)高速成長(zhǎng)，“超越摩爾定律”的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。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(lái)了新的機(jī)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(lái)也為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。2020年4月20日，國(guó)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(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，又適應(yīng)中國(guó)當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段和轉(zhuǎn)型需求，在補(bǔ)短板的同時(shí)將成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎。

在芯片缺貨漲價(jià)潮愈演愈烈的刺激下，今日A股市場(chǎng)半導(dǎo)體封測(cè)、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(bào)告指出，全球有多達(dá)169個(gè)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(jià)勢(shì)在必行?！百I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(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國(guó)家安全的戰(zhàn)略性和基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，是國(guó)家新材料發(fā)展計(jì)劃的重中之重?！笆奈濉逼陂g，我國(guó)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。在應(yīng)用升級(jí)和政策驅(qū)動(dòng)的雙重帶動(dòng)下，我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)發(fā)展熱潮。