没有取代前两代技术，第三代半导体“正确名称”该怎么叫？

全球抢攻第三代半导体商机，也是台湾半导体产业重视的领域，但有专家指称“第三代半导体”其实来自中国，且含中国对半导体产业的野心，所以建议台湾产官学界应该“正名”，但如果要改，该怎么称呼？

中国取名为第三代半导体，主要是为了与第一代半导体、第二代半导体区分，并成为化合物半导体领域的佼佼者。第一代半导体材料是“硅”（Si）、“锗”（Ge），第二代半导体是“砷化镓”（GaAs）和“磷化铟”（InP），第三代半导体主流材料为“碳化硅”（SiC）和“氮化镓”（GaN）。

从“代”区分的话，会让人误以为是第一代、第二代技术累积甚至取代前两代技术，但事实上，SiC 和 GaN 早在 40~50 年前就开始发展，直到 2000 后才开始投入市场。

此外，第一代半导体比的是“先进制程”，SiC 和 GaN 重点在于“晶圆材料”。旺宏电子总经理卢志远也认为，SiC、GaN 无法取代第一代以 Si 为主的半导体，所以台湾不该跟中国一样称为“第三代半导体”。

第一代半导体、第二代半导体是什么？

在讲第三代半导体正名运动之前，先聊聊第一、二代半导体。

全球第一颗晶体管于 1940 年代问世，随后半导体产业开始蓬勃发展。在 1950、60 年代，晶体管所采用的半导体材料多半是锗（Ge），但由于锗容易引发热失控，之后逐渐被硅（Si）取代，造就了由积体电路（IC）为关键的微电子产业发展。

自从 1970 年贝尔实验室发明了室温半导体激光之后，砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）成为市场新宠儿，这两种材料电子迁移率高，同时具备高频、低噪声、高效率及低耗电等特性，开启第二代半导体的时代，主要用于微波射频通讯领域，例如卫星通讯、行动通讯、光通讯和 GPS 导航。

然而，随着 5G、电动车时代来临，目前 GaAs 和 Si 的温度、频率、功率已达极限，当温度过高时，前两种材料容易产生故障，加上全球开始重视碳排放问题，因此高能效、低能耗的“碳化硅”（SiC）和“氮化镓”（GaN）成为新一代商机。

第三代半导体该怎么正名？

目前，产业界认为应该跟国际统一，叫做“化合物半导体”（Compound Semiconductor）。

半导体材料依构成元素，可分为“元素半导体”（Si、Ge）以及“化合物半导体”（GaAs、InP、SiC、GaN），前者由单一的四价元素（有四个价电子）所形成，后者依周期表分类成“三五族半导体”、“四四族半导体”等二元化合物。

三五族材料由周期表三族、五族元素构成，四四族则都是四族构成。从图中可知，GaAs、InP、GaN 为三五族半导体（红框处），SiC 则是四四族半导体（蓝框处）。

▲ 三五族材料由周期表三族、五族元素（红框处）构成。（Source：维基百科）

由于化合物半导体难以区分 GaAs、InP、SiC、GaN，所以也有人提出“第三类半导体”或“宽能隙半导体”（WBG）的说法。第三类半导体顾名思义，就是跟前两类半导体区分开来，至于宽能隙半导体，首先要了解能隙的概念。

“能隙”（Energy gap）代表着“一个能量的差距”，意即让一个半导体“从绝缘到导电所需的最低能量”。

Si、GaAs 属于低能隙材料，数值为 1.12 eV 和 1.43 eV，而 SiC 和 GaN 能隙较高，达到 3.2eV、3.4eV，因此遇到高温、高压、高电流时，跟前者比起来不容易从绝缘变成导电，更适合应用在高电流、高压环境下，例如 5G 和电动车领域。

等等，竟然还有“第四代半导体”

不过，第三代半导体正名运动尚未结束，产业界已经开始注意超宽能隙“氧化镓”（Ga2O3）和钻石等新一代材料，称为“第四代半导体”（暂名）。

Ga2O3 因为基板制作比 SiC 与 GaN 容易，再加上拥有约 4.5~4.9eV 的超宽能隙，能够承受更高电压，有望应用在超高功率元件领域，例如电动车、电力系统、风力发电机的涡轮等都是应用范围。即使潜力极佳，Ga2O3 仍必须克服同质磊晶和异质磊晶问题，散热方面也是一大问题。

随着半导体产业持续发展、科技不断进步，将有越来越多极具潜力的化合物半导体出现，“正名运动”除了避免名词误会，也应将不同类型半导体的考虑进去，到底该怎么称呼，值得台湾产官学界深思。

（首图来源：shutterstock）

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