在高性能和低能耗半導體器件驅(qū)動下，半導體材料經(jīng)歷四次更迭。半導 體材料是制造半導體器件和集成電路的電子材料，是電子信息技術發(fā)展 的基礎。伴隨下游應用日趨復雜化和精細化，高性能及低損耗的半導體 器件需求成為半導體研究的重要方向，驅(qū)動半導體材料經(jīng)歷四次更迭：1）第一代元素半導體材料：硅（Si）、鍺（Ge）。20 世紀 50 年代興起， 取代了笨重的電子管，奠定了以集成電路為核心的微電子工業(yè)的基礎， 廣泛用于信息處理和自動控制等領域。2）第二代化合物半導體材料：砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）。20 世紀 90 年代興起，突破硅在高頻高壓及光電子領域的局限，開拓了移動通信 和以光纖通信為基礎的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，多用于發(fā)光電子器 件以及通信基礎設備。3）第三代寬禁帶半導體材料：碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等。近 10 年逐漸興起，具備大帶隙、大載流子漂移速率、大熱導率和大擊穿電場 四大特性，全面突破材料在高頻、高壓、高溫等復雜條件下的應用極限， 適配 5G 通信、新能源汽車、智能物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)，對節(jié)能減排、產(chǎn) 業(yè)轉(zhuǎn)型升級、催生新的經(jīng)濟增長點將發(fā)揮重要作用。4）第四代超禁帶半導體材料：氧化鎵（Ga2O3）、氮化鋁（AlN）、金剛 石以及銻化鎵（GaSb）、銻化銦（InSb）等。近 5-10 年被提出，在第三 代半導體基礎上實現(xiàn)進一步提效降本，以人工智能與量子計算為驅(qū)動力， 目前處于科研與產(chǎn)業(yè)化起步階段。
高功率+高頻率+高溫+高電壓，第三代半導體（SiC 和 GaN）物理性能 優(yōu)異。第三代半導體作為寬禁帶材料，具有四大特性：大帶隙、大載流 子漂移速率、大熱導率和大擊穿電場，做成的器件對應有四高性能：高 功率、高頻率、高溫和高電壓，制造的裝備系統(tǒng)對應有四小優(yōu)點：小能 耗、小體積、小體重和小成本（暫未實現(xiàn)）。在半導體照明、新一代移動 通信、能源互聯(lián)網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車、消費電子等領域有廣 闊的應用前景。
繼承 SiC 材料優(yōu)點，SiC 器件兼具高性能和低損耗。SiC 器件基于 SiC 材料，在效能提升和損耗控制上相比硅基器件均有優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在：1）更高的耐壓性和耐高溫性。SiC 材料擊穿電場強度是 Si 的 10 余倍， 能承受更大的工作區(qū)間和功率范圍。SiC 熱導率約為 Si 的 3 倍，更高的 熱導率可以帶來功率密度的顯著提升，同時散熱性能更好，散熱系統(tǒng)的 設計更簡單，或者直接采用自然冷卻。2）更高的工作頻率。SiC 材料飽和電子漂移速率為 Si 的 2.5 倍，導通電 阻更低，導通損耗低；SiC 器件（SBD 和 MOSFET）能夠克服 IGBT 器 件在關斷過程的電流拖尾現(xiàn)象，降低開關損耗和系統(tǒng)損耗，大幅提高實 際應用的開關頻率。3）更低的能耗和更小的尺寸。SiC 材料擊穿電場強，可以更高的雜質(zhì)濃 度和更薄的漂移層，制作導通電阻非常低的耐高壓大功率器件。根據(jù) Rohm 測算，理論上相同規(guī)格 SiC-MOSFET 導通電阻可降為硅基 MOSFET 的 1/200，尺寸降低為 1/10；使用 SiC-MOSFET 的逆變器的系 統(tǒng)能耗，小于使用同規(guī)格 Si-IGBT 逆變器能耗的 1/4。
IGBT 應用非常廣泛，SiC-IGBT 限于研發(fā)進度尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。IGBT 是 BJT(雙極型三極管）和 MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合式半 導體，通過電壓驅(qū)動控制通斷（與 MOSFET 原理類似），IGBT 擁有高輸 入阻抗和低導通壓降特點，缺點在于高頻開關時損耗增大。IGBT 應用范 圍一般在耐壓 600V 以上，電流 10A 以上頻率 1KHz 以上，是電機驅(qū)動 核心，廣泛應用于逆變器、變頻器等，在 UPS、開關電源、電車、交流電機等領域?qū)?GTO、GTR 等形成替代。SiC-IGBT 作為雙極器件，在阻 斷電壓增大時，導通電阻增加很小，非常適合高壓大功率領域，現(xiàn)階段 由于研發(fā)起步晚，SiC-IGBT 尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
