半导体|后摩尔时代：三代半导体的崛起汽车|芯片|市场规模

【半导体|后摩尔时代：三代半导体的崛起】

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在上一篇文里，笔者回顾了半导体快速发展的几十年中，诞生的无数伟大的公司与领导者，包括硅谷的创立、仙童半导体公司的诞生，以及大佬们出走仙童后纷纷创业，于是有了英特尔、AMD等今天的行业巨头，以及近年来AMD是如何逆袭英特尔的。这一系列划时代的事件，奠定了如今信息时代的基础，时间见证了无数传奇的兴衰。详见文章《半导体编年史：传奇的湮灭与诞生》。
而我们回到当下，半导体已然发展到第三代。我们该如何把握行业发展的脉搏，去抓住机会？对于投资， “时间是最好的朋友” ，在这个日新月异、快速发展的时代，见证历史，参与历史，才不枉人生一场！
后摩尔时代
从仙童公司出走的摩尔，这位英特尔创始人之一，总结了计算机行业奉为圭臬的摩尔定律：集成电路芯片上所集成的晶体管数目，每隔18个月就翻一倍。
摩尔定律阐述了半导体行业的发展速度。然而当今时代，技术发展已然到达了一个瓶颈期。 PC芯片领域的巨头英特尔和移动芯片领域巨头高通，近年来都开始“挤牙膏” ，很难出现令人惊艳的产品。
这背后，或许是摩尔定律的逐渐失效。先进工艺驱动芯片持续微缩的同时（台积电将试产3nm芯片），也导致了所需成本指数级增长、开发周期拉长、良率下降，盈利风险明显升高。天风证券认为，单个晶体管的成本不降反升，性能提升也逐渐趋缓，这标志着后摩尔时代来临。
为此芯片行业需要去寻找新的技术以及新的材料去支撑芯片研发继续前进，这意味着摩尔定律形成的多年先发优势或不再受用，后发者如果能够提前识别并做出前瞻性布局，完全存在换道超车的可能性。
如今在三代半导体上，国产替代有了机会。
但在说三代半导体之前，我们先追本溯源，看看第一代和第二代半导体的发展情况。只有了解了发展过程，才能更加深入了解三代半导体的特性，从而更好的把握机会的来临。
半导体材料的变迁
每一代半导体关键在于材料不同，而导致特性及应用不同。
第一代半导体是“元素半导体” ，锗（Ge）和硅（Si）是两个代表性材料。
在20世纪50年代，锗基半导体器件占据主导地位，到了60年代，硅基半导体因为相对优良的耐高温、抗辐射性能、低廉的价格和庞大的储量，逐步取代锗基，成为主流，延续至今。目前，全球95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基础功能材料而生产出来的，技术十分成熟，市场规模高达4000多亿美元。
进入20世纪90年代后，高频传输和光学领域的场景对半导体材料的禁带宽度、电子迁移率要求提高，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚，其中GaAs技术最为成熟，应用最广。
第二代半导体广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光纤通信、无线区域网络、卫星定位、国防军工、航空航天等领域。在5G时代和物联网高速发展下， GaAs的产业市场规模已达数百亿美元。
来到21世纪，现代工业对高功率、高电压、高频率电子器件的需求陡增，这对半导体材料的禁带宽度、击穿电场强度、电子饱和速率、热导率等关键参数提出了更加严苛的要求。在此情况下，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体材料脱颖而出，即我们常说的第三代半导体。
相对于第一代（硅基）半导体，第三代半导体（碳化硅等）禁带宽度大，电导率高、热导率高。硅基因为结构简单，自然界储备量大，制备相对容易，被广泛应用半导体的各个领域，其中以处理信息的集成电路最为主要。在高压、高功率、高频的分立器件领域，硅因其窄带隙，较低热导率和较低击穿电压限制了其在该领域的应用，因而发展出宽禁带、耐高压、高热导率、高频的第二/三代半导体。

三代半导体材料之间的主要区别是禁带宽度。现代物理学描述材料导电特性的主流理论是能带理论，能带理论认为晶体中电子的能级可划分为导带和价带，价带被电子填满且导带上无电子时，晶体不导电。当晶体受到外界能量激发（如高压），电子被激发到导带，晶体导电，此时晶体被击穿，器件失效，禁带宽度代表了器件的耐高压能力。第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍，具有更强的耐高压、高功率能力。