硅基、碳基、第三代半导体？如何区分？
继5G、新基建后，半导体之战近日在国际市场上的热度高居不下。投资热，股市热，政策热，还有研究热！芯片之于信息科技时代，是类似煤与石油之于工业时代的重要存在。
尤其是在华为芯片突然被制裁，全面“断供”，华为Mate40也将成为搭载高端麒麟芯片的“绝版”机。发酵已久的中国芯片危机迎来了一次爆发！一时间，形成芯片困局，掣肘中国的局面！这让人们更深刻的意识到，芯片技术自主可控的重要性。在芯片产业链中，除了封测，设计、验证、制造的环节，中国与国际先进水平都差距较大。其中制造环节最为薄弱，设备、材料都是被“卡脖子”的环节。目前，半导体材料的研发至关重要，中国芯的呼声愈演愈烈，尤其是在5G信息时代大爆发！硅基，碳基，第三代半导体的概念频繁出现，那么什么是碳基？什么是硅基？又什么是第三代半导体呢？这与划分标准有关。
硅基半导体？
or
碳基半导体？
半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，按照材料划分，以硅材料为基础发展起来的半导体称为硅基半导体，以碳材料为基础的半导体则被称为碳基半导体。
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硅基半导体
很多人听说过“硅基半导体”。人类对 Si 性能的探索已经非常成熟。上世纪五十年代以来，以硅（Si）材料为代表的第一代半导体材料取代了笨重的电子管引发了集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展。以单晶硅为主的半导体集成电路，已经变得无处不在，成为整个信息技术的强大支柱。
长久以来，摩尔定律，几乎成了半导体产业界唯一的主题。硅基半导体芯片遵循摩尔定律的预测，芯片性能每隔 18-24 个月便会提升一倍。
但随着芯片尺寸不断缩小，特别是工艺水平进入 5 纳米级以后，硅芯片发展开始面临更加突出的短沟道效应、强场效应、薄氧化层的隧穿效应和功率耗散增加等一系列材料、工艺、技术、器件和系统方面的物理限制。这让传统硅基芯片的发展速度开始减慢。为维持硅基半导体芯片性能高速提升的势头，半导体领域的学者和工程技术人员从结构、工艺和材料三个方面寻找破局之道，虽然推出晶体管 3D 结构、异构集成架构、应变硅技术、硅基光电集成技术等新成果，但硅基半导体芯片性能提升效果逐渐下滑，即将达到物理和技术的“天花板”已是业界共识。
尤其是在5G通讯时代到来，电子技术快速发展，集成电路向着大规模、高集成、大功率方向不断深入，这也是IGBT芯片的发展趋势，但这势必会造成电子元器件过热。然而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si 在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，在高频下工作性能较差，不适用于高压应用场景，光学性能也得不到突破。硅基半导体芯片快速提级提质已几乎走到尽头。寻找和转向新材料替代的呼声越发高涨。
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碳基半导体
“碳基半导体”最近频繁提出，这个概念对很多人还是比较陌生的。碳基半导体是一种在碳基纳米材料的基础上发展出来的一种导电材料，以石墨烯、碳纳米管等材料为主。近日，中国科学院院士彭练矛和张志勇教授课题组发表成果，通过发展全新的提纯和自组方法制备出了高纯半导体阵列的碳纳米管材料，并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和电路。这一突破性的成果自发布以来，就引发了大众对于“中国芯”能否绕过EUV光刻技术瓶颈，打破芯片行业格局、完成弯道超车的讨论。
不可否认，碳基芯片的问世是科学技术的一次突破。碳基芯片在很多方面确实有叫板硅基芯片实力。比如，与硅基芯片相比，碳基芯片具有成本更低、功耗更小、效率更高的显著优势。据相关报道显示，与传统硅基芯片相比，我国碳基芯片在处理大数据时不仅速度更快，而且至少可节约30%的功耗。
但目前，碳基芯片的研究更多地还是处于理论环节，从理论到商用没那么简单。其实，相比于网络上流传的碳基芯片将要取代硅基芯片的说法，碳基芯片更像是另辟蹊径，目的是想规避卡脖子的硅基芯片技术，实现中国芯的崛起。
第三代半导体
第三代半导体概念的出现，是按照半导体材料推出时间早晚划分。
第一代是从集成电路发明开始，最先晶体管是锗材料，后面发展成硅材料。
第二代半导体材料，发明并实用于20世纪80年代，主要是指化合物半导体材料，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表。其中砷化镓在射频功放器件中扮演重要角色，磷化铟在光通信器件中应用广泛。
第三代半导体材料，是在2000年以后提出，主要是以氮化镓和碳化硅为主。2005 年以后开始出现超宽禁带半导体。目前，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）等具有宽禁带（Eg＞2.3eV）特性的新兴半导体材料，广泛用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件，应用于半导体照明、5G通信、卫星通信、光通信、电力电子、航空航天等领域，已被认为是当今电子产业发展的新动力。
据了解，我国计划把大力支持发展第三代半导体产业，写入“十四五”规划，计划在2021-2025年期间，在教育、科研、开发、融资、应用等等各个方面，大力支持发展第三代半导体产业，以期实现产业独立自主。这让第三代半导体彻底大火了起来。
但从产业的角度来看，中国第三代半导体真正要火起来并不容易，面临四大问题：
01
技术差距明显
第三代半导体的生产步骤包括单晶生长、外延层生长以及器件/芯片制造，分别对应衬底、外延和器件/芯片。总体来说，第三代半导体产业目前主要处于国外企业垄断的局面。
02
市场应用有限
在第一代半导体面前，第三代半导体的产值非常的小。国外发展第三代半导体不是因为生意有多么的大，是因为国防和科技信息技术的发展需要用到第三代半导体。同时，这是一个增量市场，也是企业可以寻求的增长空间。
从增量来源来看，5G、光伏智能电网、新能源汽车等是主要的增量来源。根据第3代半导体的发展情况，其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他领域，每个领域产业成熟度各不相同。
03
成本是最大瓶颈
第三代半导体要扩大应用市场，成本是最大瓶颈
从增量市场来看，5G、光伏智能电网、新能源汽车这些主要市场对半导体技术要求很高，属于前沿技术。中国第三代半导体从材料，到设计，再到晶圆制造都是起步阶段。除了国内个别企业有成熟的第三代半导体设计能力，产品可以批量出货，其他还是小批量阶段。国内第三代半导体要主导5G、光伏智能电网、新能源汽车这三大领域，还需要很长时间去沉淀和成长。
前沿新市场的需求并不大，几十亿美金的市场相对于整个全球半导体来讲还不到百分之一。国内企业把机会瞄准传统消费类电子应用，比如：充电器电源芯片、肖特基二极管、MOSFET。也有国内企业投入研发5G基站GaN PA，这是一块20亿美金的潜力市场。
04
产业人才短缺
中国半导体最大的瓶颈是人才。钱能解决很多问题，但不能解决眼下半导体产业人才短缺的问题，中国第三代半导体产业人才短缺更为明显。
在中国的大地上，芯片依旧很火，各行各业都来做芯片。抢人，成为时下最大的风景。《中芯国际为什么留不住人才》一度成为热搜，甚至把所有的责备指向中芯国际。全国各地大建晶圆厂，产业人才哪里找？
中国大陆企业做第三代半导体也就几年时间，最初的人才来自海外。产业的发展需要大量人才，前期的人才培养远远跟不上产业的发展和扩张。从衬底材料到外延，再到晶圆制造，哪个环节都缺少人才。
总而言之，未来大国之争也是芯片之争，中国的芯片需要不断强大起来！基于此，2020年11月17-20日，第五届国际碳材料暨产业展览会特设半导体专题，聚焦半导体产业链，从材料制备到半导体工艺加工，到产业化应用，邀请国内外知名专家与企业：西安电子科技大学张玉明教授、张金凤教授、王晓刚教授、西安交通大学王宏兴教授、哈尔滨工业大学科研院朱嘉琦教授、郑州大学单崇新教授、武汉工程大学汪建华教授、宁波材料所江南研究员、中电十二所高级工程师李莉莉、广东工业大学王成勇教授、上海化合积电半导体科技有限公司总经理张星、华侨大学陆静教授、赛迪顾问、中关村天合宽禁带半导体创新技术联盟陆敏博士、全球能源互联网研究院、爱发科（苏州）技术研究开发有限公司研发部长左超、株洲中车时代副总工刘国友，进行深入探讨，剖析超宽禁带半导体材料的机遇与挑战，共同助力“中国芯”崛起！