4月13日消息，近日，为了促进宽带隙（WBG）半导体技术的发展，IEEE电力电子学会（PELS）发布了宽带隙功率半导体（ITRW）的国际技术路线图。该路线图确定了宽带隙技术发展的关键趋势、设计挑战、潜在应用领域和未来应用预测。

    一、什么是宽带隙半导体？  

宽带隙半导体指的是在室温下带隙大于2.0eV的半导体材料，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。这类材料的带隙（绝缘态和导电态之间的能量差）明显大于硅。

因此，宽带隙功率设备消耗的能源更少，可以承受更高的电压，在更高的温度和频率下运行，并且能够从可再生能源中产生更可靠的电力形式。

从应用角度看，宽带隙半导体能够广泛应用于蓝、紫光和紫外光电子器件，以及高频、高温、高功率等电气器件中。

但由于宽带隙技术较新，所以制造成本比硅更高。

    二、宽带隙半导体的优势  

在路线图委员会的专家们看来，碳化硅和氮化镓材料的应用范围越来越广泛，在为行业提供硅无法实现的性能的同时，其价格也更加便宜。

据了解，采用碳化硅和氮化硅功率转换器研发的新一代宽带隙半导体，其转换速度比用硅材料研发的同类器件快100至1000倍。

与此同时，宽带隙比硅还能节省更多能效。“一个典型的硅转换器，使用者可以获得约95%的能效，但使用宽带隙转换器，这一数值将接近99%。”Braham Ferreira说到。

从应用方面看，采用宽带隙材料制成的小型转换器，通过其低功耗等特性，未来将广泛地应用于脑、笔记本电脑、电视和电动汽车等电源供应市场。

    三、路线图重点关注四大领域  

“该路线图从战略角度审视了宽带隙的长期前景、未来、趋势，以及潜在的可能性。”针对路线图，ITRW指导委员会主席、IEEE研究员Braham Ferreira谈到，其目的是加速宽带隙技术的研发，以更好发挥这项新技术的潜力。

据了解，路线图委员会由世界各地的材料学专家、工程师、设备专家、政策制定者，以及工业和学术界等领域代表组成。他们重点关注四个领域，分别为基板和设备、模块和封装、GaN系统和应用、SiC系统和应用。

针对路线图的制定，Braham Ferreira表示，由于他们不能直接对半导体设备的生产和开发下达行业指令，因此只能通过共识和协议来确定潜在的新应用领域，并为行业的长期研发和投资指明了方向。

路线图摘要列出了采用WBG技术最有可能受益的市场，包括光伏转换器、混合动力和纯电动汽车传动系统以及数据中心。

从时间角度看，路线图制定了5年短期、5至15年中期和长期三个阶段的商业化框架。

其中，短期主要提出了现有产品和设备的指标、中期则依据具体技术的商业花路径、长期趋势则突出了其他新领域的研究方向。

第一代半导体材料一般是指硅（Si）元素和锗（Ge）元素，其奠定了20 世纪电子工业的基础。第二代半导体材料主要指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、磷化镓（GaP）、砷化铟（InAs）、砷化铝（AlAs）及其合金化合物等，其奠定了20 世纪信息光电产业的基础。第三代宽禁带半导体材料一般是指氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）、金刚石等材料，其具有禁带宽度大、抗辐射能力强、击穿电场强度好、耐高温等特点，可以克服传统半导体的劣势，能够使设备在极端恶劣的条件下正常工作。因此，宽禁带半导体的材料可以在微电子领域发挥重要的作用，具有广阔的应用市场。

禁带宽度是半导体的一个重要特性参数，根据半导体材料的能带结构不同，可将半导体材料分成两种类型：宽禁带和窄禁带。若半导体材料的带隙宽度小于2.3eV，则称为窄带隙半导体，代表性材料有GaAs、Si、Ge 和InP ；若半导体材料的带隙宽度大于或等于2.3eV，则称为宽带隙半导体，代表性材料有GaN、SiC、AlN 和氮化铝镓（AlGaN）等。半导体材料的禁带宽度越大，意味着其电子跃迁到导带所需的能量越大，从而材料能承受的温度和电压越高，即越不容易成为导体。

宽禁带半导体材料非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件，其具有良好的抗辐射能力及化学稳定性、较高的饱和电子漂移速度及导热率、优异的电性能等特点。近年来，迅速发展起来的以GaN、SiC 为代表的宽禁带半导体材料是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”，在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域具有广阔的应用前景，可望成为支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料，进行宽禁带半导体材料的相关技术研发正在成为全球半导体产业新的战略高地。SiC 与GaN 是第三代宽禁带半导体材料中发展比较成熟的材料，本文主要研究这两类材料。