對硅替代品的探索始于上個世紀的最后二十年，當時研究人員和大學對幾種寬帶隙材料進行了試驗，這些材料顯示出在射頻、發光、傳感器和功率半導體等領域替代現有硅材料技術的巨大潛力應用程序。在新世紀之初，氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 已達到足夠的成熟度并獲得足夠的吸引力，從而將其他潛在替代品拋在腦后，從而得到全球工業制造商的足夠重視。

在接下來的幾年里，重點是研究與材料相關的缺陷，為新材料開發定制的設計、工藝和測試基礎設施，并建立一個可復制的無源（二極管）器件和幾個有源器件（MosFET、HEMT、MesFET、JFET）或 BJT），它們開始進入演示板，并能夠展示寬帶隙材料帶來的無可爭議的優勢。就功率半導體而言，這些包括工作溫度范圍的擴展、電流密度的增加以及開關損耗降低多達十倍，從而允許在顯著更高的頻率下連續工作，從而降低系統重量和最終應用的尺寸。

對于這兩種材料，仍有一些獨特的挑戰有待解決：

GaN 非常適合中低功率，主要是消費類應用，似乎允許高度單片集成，其中一個或多個電源開關與驅動電路共同封裝，有可能在單片芯片上創建功率轉換 IC , 在最先進的 8-12” 混合信號晶圓制造廠制造。盡管如此，由于鎵被認為是一種稀有、無毒的金屬，作為硅生產設施中的無意受體可能會產生副作用，因此對許多制造工藝步驟（如干蝕刻、清潔或高溫工藝）進行嚴格分離仍然是一項關鍵要求。此外，GaN 在 MO-CVD 外延工藝中沉積在晶格失配的載體上，如 SiC 或更大的晶圓直徑，通常甚至在硅上，這會引起薄膜應力和晶體缺陷，

GaN 功率器件通常是橫向 HEMT 器件，它利用源極和漏極之間的固有二維電子氣通道，由肖特基型金屬門控。

另一方面，碳化硅由豐富的硅和石墨成分組成，它們加起來占地殼的近 30%。工業規模的單晶 SiC 錠的生長是 6'' 中成熟且廣泛可用的資源。先驅者最近開始評估 8 英寸晶圓，并希望在未來五 (5) 年內，碳化硅制造將擴展到 8 英寸晶圓生產線。

SiC 肖特基二極管和 SiC MOSFET 的廣泛市場采用正在提供所需的縮放效果，以降低高質量襯底、SiC 外延和制造工藝的制造成本。通過視覺和/或電應力測試消除的晶體缺陷極大地影響了較大芯片尺寸的良率。此外，由于溝道遷移率低，存在一些挑戰，這使 SiC FET 在 100 – 600V 范圍內無法與硅 FET 競爭。

市場領導者已經意識到垂直供應鏈對于制造 GaN 和 SiC 產品的重要性。在單一屋檐下建立制造能力，包括晶體生長、晶圓和拋光、外延、器件制造和封裝專業知識，包括優化的模塊和封裝，其中考慮了寬帶隙器件 (WBG) 的快速瞬變和熱能力或限制, 允許最低的成本和最高的產量和可靠性。

憑借廣泛且具有競爭力的產品組合和全球供應鏈，新的重點正在轉向產品定制，以實現改變游戲規則的應用程序。硅二極管、IGBT 和超級結 MOSFET 的直接替代品已經為 WBG 技術市場做好了準備。在為選擇性拓撲定制電氣性能以繼續提高功率效率、擴大行駛范圍、減少重量、尺寸和組件數量以及實現工業、汽車和消費領域的新型突破性終端應用方面，還有更多潛力。

圖 ：最高效率的車載充電器系統在 PFC 和 LLC 階段均使用 1200V SiC MOSFET，達到最高功率密度和最低重量。通過提供的參考設計

實現快速設計周期的一個關鍵因素是準確的 spice 模型，其中包括熱性能和校準的封裝寄生參數，幾乎可用于所有流行的模擬器平臺，以及快速采樣支持、應用筆記、定制的 SiC 和 GaN 驅動器 IC 和世界- 廣泛的支持基礎設施。

即將到來的十 (10) 年將見證另一場歷史性變革，其中基于 GaN 和 SiC 的功率半導體將推動電力電子封裝集成和應用領域的激進發明。在此過程中，硅器件將幾乎從電源開關節點中消失。盡管如此，他們仍將繼續在高度集成的電源 IC 和較低電壓范圍內尋求庇護。

審核編輯：湯梓紅