随着硅工艺的日益成熟，硅半导体器件已经接近材料极限。为了进一步提高电力电子系统的综合性能指标，宽禁带半导体器件因其材料本身固有的性能优势，越来越受到功率半导体器件研究者重视。但也是由于材料本身性能的限制，给充分发掘宽禁带半导体材料的性能带来挑战。宽禁带功率半导体器件研究堪称任重道远。目前在宽禁带半导体器件中常用的材料主要还是SiC和GaN。相对于Si材料的电力电子器件，宽禁带半导体具有下述显著优势：

1）宽禁带半导体电力电子器件具有更低的导通电阻。在击穿电压较低（约50V）时，SiC功率器件的比导通电阻仅有1.12μΩ，约是Si同类器件的1/100。在击穿电压较高（约5kV）时，比导通电阻增大到29.5mΩ，约是Si同类器件的1/300。

2）宽禁带半导体电力电子器件具有更高的击穿电压。这是因为SiC器件的击穿电场高。

3）宽禁带半导体电力电子器件的工作频率更高。SiC和GaN的饱和电子漂移速率更快，是Si的2倍。因而宽禁带半导体电力电子器件的开关速度更快，开关损耗更低，在中大功率应用场合有望实现Si功率器件难以达到的更高开关频率（≥20kHz），尤其是GaN器件的开关频率可达MHz数量级。

4）宽禁带半导体电力电子器件具有更低的结壳热阻。SiC的热导率是Si的3倍以上，因而由它制成的电力电子器件的散热性更好，器件的温度上升更慢。

5）宽禁带半导体电力电子器件能够在更高的温度下工作。SiC的禁带宽度是Si的2倍以上，SiC电力电子器件的极限工作温度有望达到600℃以上，远高于Si器件的115℃，从而使器件的冷却系统大为简化。

目前国际上各大半导体器件制造厂商，包括美国的Cree、Genesic、Semi-south、Microsemi、PowerEx、IR，欧洲的Infineon、IXYS、TranSiC，日本的Ro-hm、Mitsbushi、Fuji、Renesas等公司都相继推出自己的SiC功率器件，其中包括SiC肖特基二极管、SiC MOSFET、SiC JFET、SiC BJT、SiC IGBT、SiC GTO。目前高压SiC IGBT器件的实验室水平已达到27.5kV耐压水平。图5-22为Cree公司的9kV耐压SiC GTO的截面图。

图5-22 9kV SiC晶闸管的截面图(www.daowen.com)

宽禁带半导体材料GaN具有禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、临界击穿电场大和化学性质稳定等特点，因此基于GaN材料制造的电力电子器件具有通态电阻小、开关速度快、高耐压及耐高温性能好等特点。与SiC材料不同，GaN除了可以利用GaN材料制作器件外，还可以利用GaN所特有的结构制作高性能器件。GaN可以生长在Si、SiC及蓝宝石上，由于在价格低、工艺成熟且直径大的Si衬底上生长，GaN具有低成本、高性能的优点，因此受到广大研究人员和电力电子厂商的青睐。

与SiC器件类似，GaN电力电子器件是半导体器件的另一研究热点。美国、日本和欧洲等国家和地区都非常重视GaN电力电子器件技术的研究与开发。

国内对SiC和GaN功率器件的研究起步较晚，主要由一些科研院所及高校在国家相关科技计划的支持下开展相关研究。他们在宽禁带功率器件工作特性、宽禁带功率器件电力电子系统设计等方面已经开展了相关工作。

尽管与Si功率器件相比，宽禁带半导体电力电子器件具有诸多优势，但目前仍存在一些限制其广泛应用的不利因素，主要有：

①产量低，成本高。由于SiC存在微管缺陷，难以生产尺寸较大的SiC晶圆，因而SiC晶圆的成本较高。相应地，SiC电力电子器件的价格也远高于Si功率器件。

②器件类型和规格有限。目前，成功实现商业化的SiC功率器件包括SBD、BJT、JFET和MOSFET，且这些器件的功率处理能力较小，型号较少。而广泛应用于大功率场合的IGBT和GTO等器件尚处于实验室开发和测试阶段。

③缺乏高温封装技术。尽管采用SiC材料制造的管芯能够承受很高的工作温度，但目前的封装技术主要针对Si功率器件，大多低于175℃。封装外壳的工作温度限制了SiC功率器件高温性能的发挥。