导言：目前，功率半导体材料正迎来材料更新换代，这些新材料就是SiC和GaN，二者的物理特性均优于现在使用的Si，作为“节能王牌”受到了电力公司、汽车厂商和电子厂商等的极大期待。将Si换成GaN或SiC等化合物半导体，可大幅提高产品效率并缩小尺寸，这是Si功率半导体元件无法实现的。

“功率半导体”多被用于转换器及逆变器等电力转换器进行电力控制。目前，功率半导体材料正迎来材料更新换代，这些新材料就是SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓），二者的物理特性均优于现在使用的Si（硅），作为“节能王牌”受到了电力公司、汽车厂商和电子厂商等的极大期待。将Si换成GaN或SiC等化合物半导体，可大幅提高产品效率并缩小尺寸，这是Si功率半导体元件（以下简称功率元件）无法实现的。

目前，很多领域都将Si二极管、MOSFET及IGBT（绝缘栅双极晶体管）等晶体管用作功率元件，比如供电系统、电力机车、混合动力汽车、工厂内的生产设备、光伏发电系统的功率调节器、空调等白色家电、服务器及个人电脑等。这些领域利用的功率元件的材料也许不久就将被GaN和SiC所替代。

例如，SiC已开始用于铁路车辆用马达的逆变器装置以及空调等。

电能损失可降低50％以上

利用以GaN和SiC为材料的功率元件之所以能降低电能损失，是因为可以降低导通时的损失和开关损失。比如，逆变器采用二极管和晶体管作为功率元件，仅将二极管材料由Si换成SiC，逆变器的电能损失就可以降低15～30％左右，如果晶体管材料也换成SiC，则电能损失可降低一半以上。

有助于产品实现小型化

电能损失降低，发热量就会相应减少，因此可实现电力转换器的小型化。利用GaN和SiC制作的功率元件具备两个能使电力转换器实现小型化的特性：可进行高速开关动作和耐热性较高。

GaN和SiC功率元件能以Si功率元件数倍的速度进行开关。开关频率越高，电感器等构成电力转换器的部件就越容易实现小型化。

耐热性方面，Si功率元件在200℃就达到了极限，而GaN和SiC功率元件均能在温度更高的环境下工作，这样就可以缩小或者省去电力转换器的冷却机构。

这些优点源于GaN和SiC具备的物理特性。与Si相比，二者均具备击穿电压高、带隙宽、导热率高、电子饱和速率高、载流子迁移率高等特点。

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SiC制MOSFET的普及将从沟道型产品开始

功率元件用SiC晶体管虽已开始投产，但普及程度还不如二极管，还停留在极少数的特殊用途。这是由于SiC晶体管的制造工艺比二极管复杂，成品率低，因而价格高。并且，虽然速度在减缓，但Si晶体管的性能却一直仍在提高。与二极管相比，“还有很大的发展空间”（技术人员）。就是说，目前可以方便地使用低价位高性能的Si晶体管。

因此，在不断降低SiC晶体管成本的同时，发挥SiC的出色材料特性，追求Si无法实现的性能，此类研发正在加速推进。

SiC晶体管主要有MOSFET、JFET以及BJT三种。其中，最先投产的是JFET。

JFET虽然可以降低功率损失，但基本上处于“常开（Normally On）工作”状态，即使不加载栅极电压也会工作。一般情况下，在大功率的电源电路上，多希望实现不加载栅极电压就不会驱动的“常闭工作”。JFET也有可以实现常闭工作的产品。然而，MOSFET因在原理上易于实现常闭工作，因此很多企业都在致力于研发MOSFET。

科锐（Cree）和罗姆已经投产了MOSFET。但还称不上是广泛普及。原因除了价格高外，还没有完全发挥出SiC的出色材料特性。其中导通时的损失大，为减少导通损失而降低导通电阻的研发正在进行。

降低导通电阻的方法是采用在栅极正下方开掘沟道。目前已经投产的SiC制MOSFET都是“平面型”。平面型在为了降低沟道电阻而对单元进行微细化时，JFET电阻会增大，导通电阻的降低存在局限性。而沟道型在构造上不存在JFET电阻。因此，适于降低沟道电阻、减小导通电阻。

虽然沟道型可以降低导通电阻，但由于要在栅极正下方挖掘沟道，因此量产程度难于平面型。所以尚未投产。最早估计2013年罗姆等的产品将面世。

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GaN类功率元件可通过使用硅基板降低成本

GaN在LED及半导体激光器等发光元件及基站用高频元件用途上实现了产品化，而功率元件用途的产品化才刚刚开始，落后于SiC。但这种情况也在变化。那就是制造成本的降低和电气特性的快速提高。

GaN类功率元件之所以能够降低成本，是因为可利用价格低而口径大的硅基板。采用硅基板，可以使用6英寸以上的大口径产品。比如，美国EPC公司及美国IR就使用硅基板，通过形成外延层而推出了GaN类功率元件产品。

对运行时导通电阻会上升的“电流崩塌”现象的抑制、耐压等电气特性的提高也在取得进展。以耐压为例，尽管产品一般低于200V，但也有超过了1kV的研发品。

目前，投产GaN类功率元件的企业还很少，但预计从2012年会开始逐渐增加。而且，2015年前后，结晶缺陷减少至可用于功率元件用途的水平、口径高达6英寸的GaN基板很可能会面世。如果在GaN基板上形成GaN类功率元件，便可比使用硅基板等不同种材料的功率元件更易提高电气特性。

GaN和SiC将区分使用

2015年，市场上或许就可以稳定采购到功率元件用6英寸SiC基板。并且，届时GaN类功率元件除了硅基板之外，还有望使用GaN基板。也就是说，2015年前后，SiC制功率元件与GaN类功率元件就均可轻松制造了。

在对大幅减少电力转换器中的电力损失以及缩小电力转换器尺寸有强烈要求的用途方面，估计会采用SiC及GaN。两种元件最初将根据使用终端的电力容量及开关频率区分使用。

GaN将主要用于中低容量用途，SiC将主要用于大容量用途。而且，由于GaN制功率元件更适合高速开关动作，因此要求更高开关频率的用途估计会采用GaN。