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机械自动化设计与制造研究
Research on Mechanical Automation Design and Manufacturing
成长，重点被应用于低电压、低频、中功率器件。至 2021 年，全球以硅作为主
要材料制造的半导体芯片和器件超过 95%。硅芯片以其灿烂的光芒在人类社会的
每一个角落熠熠生辉。第一代半导体材料奠定了计算机、网络和自动化技术发展
的基础。
（二）第二代半导体材料概况
第二代半导体材料的主要是指兴起于 20 世纪 70 年代的以砷化镓（GaAs）、
磷化铟（InP）为代表的化合物半导体材料。相比于第一代半导体材料硅，砷化
镓在电子迁移率方面展现出了极高的优点，并具有较宽的带隙，可以满足高频和
高速的工作环境，是制造高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。由于
信息高速公路和互联网的迅速发展，卫星通讯、现代移动通信、光通信、GPS 导
航等行业也普遍地使用第二代半导体材料。虽然第二代半导体材料相较于第一代
半导体材料有了较大的进步，但第二代半导体材料也有着严重的短板，其禁带宽
度、击穿电场强度在高温、高功率等较为极端环境中并不能满足工作运行的条件。
其次，第二代半导体的原材料不仅资源稀缺，价格昂贵，而且具有毒性，对环境
和人体都不够友好，应用受到一定的局限。
（三）第三代半导体材料
1. 第三代半导体的定义
第三代半导体材料通常是指禁带宽度大于 2.3eV 或等于 2.3eV 的半导体材料，
也被称为宽禁带半导体材料或高温半导体材料，是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、
氧化锌（ZnO）等为代表的化合物半导体材料。
2. 第三代半导体材料的特性
从目前对第三代半导体材料的研究来看，第三代合物半导体材料相较于第
一代元素半导体材料和第二代化合物半导体材料，具有更优越的特性：（1）第
三代半导体材料具有宽的禁带宽度、高电子饱和速率、高击穿电场、较高热导率、
耐腐蚀以及抗辐射等优点，更适用于高温、高频等极端环境，被广泛应用于高电
压、高功率等领域。如在禁带宽度、击穿场强方面，碳化硅和氮化镓分别约为硅
的 3 倍、10 倍；在导热率方面，碳化硅约为硅的 3.3 倍，散热良好，适用于高温
环境；另外，电子漂移饱和速率方面，氮化镓约为硅的 2.5 倍。碳化硅的显著优
点是碳化硅器件在高温下具有很好的可靠性，适用于电力电子功率器件等领域。
氮化镓的优势在高频领域，适合应用于通信基站、消费电子等场合。（2）除此
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