2.4.2　电源、功率元器件半导体材料

随着IC技术的日益成熟，以硅衬底为主体的半导体元器件的特征尺寸逐渐接近物理极限，性能、功耗、成本都面临极大挑战，由于受到硅材料本身的限制，因此在高频、高功率密度方向的发展也面临极大挑战。为了进一步提高电力电子元器件的综合性能，以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体元器件，依靠其本身固有的性能优势，日益成为电源、功率元器件研究领域的热点。

与硅相比，碳化硅具有的优势：高于硅近3倍的禁带宽度（3.2eV）及近10倍的临界击穿电场强度（约2.2×10-6V/cm）。碳化硅的本征温度较高，抗辐射能力较强，极大提高了功率元器件的耐压等级（>20kV）。目前，碳化硅肖特基二极管（SiC-SBD）和碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）已经逐步市场化，正在形成比较成熟的产品。前者具有在关断时几乎没有反向恢复电流的优势；后者具有高开关速度、低功耗、耐高温等优势，正在逐步用于电动汽车充电桩及光伏逆变器等领域。氮化镓的高频、高压（需要使用bulk-GaN作为基板）特性更为突出，适用于紧凑、高频的应用，如开关电源等。

图2-18分别从高压应用、高温应用和高频开关三个方面对硅、碳化硅、氮化镓特性进行了对比。可以看出，碳化硅和氮化镓具有明显的性能优势。宽禁带半导体功率元器件的发展不仅利于电力电子技术在更高电压、更高频、更高功率密度方面的应用，也有利于新技术的出现。

图2-18　硅、碳化硅、氮化镓材料特性网状对比图