自1958年杰克•基尔比和罗伯特•诺伊斯先后发明集成电路后，使得大规模集成电路被植入在半导体上，体积小、处理能力和可靠性强、性价比高的集成电路逐渐在信息化产品市场占据重要地位。按照推出时间早晚划分，半导体材料目前已经划分到了第三代。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。第二代半导体材料是20世纪八九十年代推出的砷化镓和1990年后才开始真正用到了产业上的磷化铟材料。2000年以后，主要是第三代半导体材料，以氮化镓和碳化硅为代表的宽禁带半导体。2005年以后开始出现超宽禁带半导体，禁带宽度在4eV以上(也有说3.4eV以上，氮化镓的禁带宽度为3.4eV)的材料称为超宽禁带，包括目前比较典型的氧化镓、金刚石和氮化铝。这些新材料的引入对半导体体系有很大发展和补充。宽禁带半导体是对硅材料的有益补充，硅做不到的高频可以通过氮化镓来做，硅做不到的高压可以通过碳化硅来做。可以说，宽禁带半导体能实现硅材料难以实现的功能，也能在部分与硅材料交叉的领域达到更高的性能和更低的系统性成本

　　在第三代半导体领域中，目前还没有企业或国家占据主导地位，无明显的寡头领跑现象。中国作为全球最大的金属镓储量国，近年来在技术、产业链上不断创新，已拥有多项专利，与国外企业差距较低。除了实现国产化，避免卡脖子的窘境的迫切需求外，不断拓宽的应用场景市场也刺激行业发展的推动力。随着我国新基建、５Ｇ通信、新能源等领域的进程稳步向前，新材料的使用量将进入爆发期。

　　禁带宽度是指一个能带宽度(单位是电子伏特(eV))，固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。要导电就要有自由电子存在，自由电子存在的能带称为导带(能导电)。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。半导体材料基本物理性质均与禁带宽度相关，禁带宽度越窄，材料的物性倾向于金属，反之则倾向于绝缘体。禁带宽度是衡量集成电路上的半导体器件的重要指标。禁带越宽，器件的击穿电压就越高，这样的半导体器件能够获得更大的输出功率。由这些材料制成的宽禁带或超宽禁带半导体，其关态特性接近于绝缘材料，在高温、高压、高频、大电流等极端工作条件下优势明显，并且损耗小。常见的宽禁带材料包括氮化镓、碳化硅等，禁带宽度超过4个电子伏特的材料被称为超宽禁带半导体材料，包括金刚石、氧化镓、氮化铝等。现有半导体材料根据禁带宽度不同分为:窄禁带半导体材料(带隙小于2.3eV的锗、硅及III-V价元素等)、宽禁带半导体材料(带隙3.3~3.4eV的SiC、GaN)及超宽禁带半导体材料(带隙大于3.4eV的AlGaN/AlN、金刚石、Ga 2 O 3 及氮化硼(BN)等))。

　　由于具有比硅宽得多的禁带宽度，宽禁带半导体材料一般都具有比硅高得多的临界雪崩击穿电场强度和载流子饱和漂移速度、较高的热导率和相差不大的载流子迁移率，因此，基于宽禁带半导体材料(如碳化硅)的电力电子器件将具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级地提高。但是，宽禁带半导体器件的发展一直受制于材料的提炼、制造以及随后半导体制造工艺的困难。

　　直到20世纪90年代，碳化硅材料的提炼和制造技术以及随后的半导体制造工艺才有所突破，到21世纪初推出了基于碳化硅的肖特基二极管，性能全面优于硅肖特基二极管，因而迅速在有关的电力电子装置中应用，其总体效益远远超过这些器件与硅器件之间的价格差异造成的成本增加。氮化镓的半导体制造工艺自20世纪90年代以来也有所突破，因而也己可以在其他材料衬底的基础上实旋加工工艺制造相应的器件。由于氮化镓器件具有比碳化硅器件更好的高频特性而较受关注。金刚石在这些宽禁带半导体材料中性能是最好的，很多人称之为最理想的或最具前景的电力半导体材料。但是金刚石材料提炼和制造以及随后的半导体制造工艺也是最困难的，还没有有效的办法。距离基于金刚石材料的电力电子器件产品的出现还有很长的路要走。

　　在当下信息化步入智能化时代的转换阶段，其中起到关键作用的人工智能、大数据、车联网等技术如何用电显得非常关键。用电需求的提升与低碳环保的需求，让更智慧、更高效的能源生产、传输、配送、储存和使用方式成为后摩尔时代的刚需。在整个能源转换链中，宽禁带半导体的节能潜力可为实现长期的全球节能目标作出贡献。宽禁带技术将推动电力电子器件提高效率、提高密度、缩小尺寸、减轻重量、降低总成本，因此将在数据中心、智能楼宇、个人电子设备等应用场景中为能效提升作出贡献。

　　从发展潜力及原材料优势来看，第三代半导体产业未来具有广阔的发展空间。2016年，我国发布的《＂十三五”国家科技创新规划》中，将第三代半导体列为国家科技创新项目中“重点新材料研发及应用＂重要方向之一。近年来，我国先后发布了《重点新材料首批次应用示范指导目录（2019版）》、《能源技术创新“十三五”规划》等政策，将ＳｉＣ、ＧａＮ和ＡｌＮ等第三代半导体材料纳入重点新材料目录，鼓励和支持ＳｉＣ等第三代半导体材料相关的技术突破和制造。在《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》将“碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展列入“科技前沿领域攻关”部分。在国家利好政策和新产业的推动下，我国第三代半导体发展已取得初步成效。《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》中指出，2019年我国第三代半导体市场规模近百亿，在2019－2022年里将保持85％及以上平均增长速度，预计到2022年市场规模将超越623.42亿元。

　　目前，国际头部厂商正在推动宽禁带半导体实现更高规格、更低阻抗、更低热阻并持续提升生产能力。像是安世半导体的氮化镓晶体管在三年的发展和销售中，导通阻抗从最初的 60 mΩ 的650V晶体管，降到了30mΩ 的新器件，即将达到5 mΩ。安森美最新推出的650V SiC MOSFET 采用有源单元设计，结合薄晶圆技术，使导通阻抗的品质因数领先于同类产品。在热阻方面，安森美新推出的1200 V SiC MOSFET 2 pack模块采用了平面技术，其较大裸芯片与沟槽式MOSFET相比，降低了热阻，从而在相同的工作温度下降低了裸芯片温度。另外，晶圆尺寸的提升和切割技术的创新，也在提升宽禁带半导体的产能并降低生产成本。Cree、英飞凌、意法半导体等厂商已经具备8英寸碳化硅晶圆量产能力。2018年英飞凌收购了位于德累斯顿的初创公司Siltectra，其冷切割创新技术可高效处理晶体材料，最大限度减少材料损耗，使单片晶圆产出的芯片数量翻倍，从而有效降低SiC成本。目前头部厂商的宽禁带器件已经来到1700V的产品规格。在碳化硅方面，车规级SiC SBD 和MOSFET成为关注焦点，多家企业推出符合AEC-Q101标准的SiC量产产品。氮化镓方面，目前国内已有数十家主流电源厂商开辟了氮化镓快充产品线，推出的氮化镓快充新品多达数百款。

　　在《2021达摩院十大科技趋势》（以下简称《趋势》）中，阿里达摩院将“以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体迎来应用大爆发”置于首位。《趋势》指出，随着材料生产、器件制备等技术的不断突破，第三代半导体的性价比优势逐渐显现并正在打开应用市场。

　　宽禁带半导体从开始试用向大规模应用迈进，其难点在于如何使成本与市场需求达到平衡点，行业的发展正在从解决产品长期可靠性问题向追求性价比方向迈进，如6寸碳化硅衬底材料的大批量应用、薄衬底片切割技术的尝试与应用、设计优化带来器件功率密度的提升等，都在促进第三代半导体功率器件的降本增效，促进其规模化应用。总之，未来，宽禁带会朝着更低阻抗、更低压降、更低电容的方向发展。