最後更新:2026年10月8日功率半導體化合物基板(SiC・GaN・藍寶石)中國大陸:宽禁带半导体

寬能隙半導體是什麼

Wide Bandgap Semiconductor

寬能隙半導體是能隙比矽(約1.1eV)更寬之半導體材料的總稱,代表材料為 SiC(約3.26eV)與 GaN(約3.4eV)。能隙越寬,崩潰電場越高,因此能以更薄、更高濃度的漂移層實現相同耐壓,大幅降低導通電阻。在高溫運作與高速切換方面也具優勢,在電動車、快充充電器、資料中心電源等領域正逐步取代矽。

目錄4 項
  1. 定義與原理
  2. 常見問題
  3. 相關用語
  4. 比較文章

定義與原理

寬能隙半導體(WBG)是指能隙比矽(Si,約1.1eV)更大之半導體材料的總稱。代表性材料為 SiC(碳化矽,約3.26eV)與 GaN(氮化鎵,約3.4eV),能隙更寬的氧化鎵(Ga₂O₃,約4.8eV)與鑽石(約5.5eV)也作為次世代材料正在研究中。

能隙寬的直接結果是崩潰電場強度變高。SiC 的崩潰電場約為 Si 的10倍,確保相同耐壓所需的漂移層可以做得更薄,且濃度更高。漂移層是導通電阻的主要來源,因此結果是在相同耐壓下能大幅降低導通電阻。這就是 WBG 元件被稱為「低損耗」的依據。

第二個結果是高溫運作。能隙寬時,熱造成的載子激發不易發生,本質載子濃度得以維持在低水準。SiC 元件在超過200℃的環境下也能運作,可縮小冷卻機構,因而減少整個系統的體積與重量。

第三,可實現高速切換。由於漂移層薄、儲存載子少,關斷時的拖尾電流小,能在抑制切換損耗的同時提高頻率。頻率提高後,變壓器、電感、電容等被動元件得以小型化,提升整個電源的功率密度。GaN 快充充電器之所以小巧,正是這個效果所致。

另一方面,課題也很明確。SiC 的晶體缺陷控制困難、晶圓昂貴,長期以150mm 口徑為主。GaN 以在 Si 基板上成長的 GaN-on-Si 為主流,雖然較容易降低成本,但不易製作垂直結構,高耐壓化受到限制。預期短期內仍將依用途適材適所。

寬能隙半導體的常見問題

寬能隙半導體有哪些材料?
已進入實用化的是 SiC(碳化矽,約3.26eV)與 GaN(氮化鎵,約3.4eV)這2種。能隙更寬的氧化鎵(Ga₂O₃,約4.8eV)與鑽石(約5.5eV)也處於研究階段,可望在超高耐壓用途中實用化。
為什麼能隙越寬損耗越低?
因為能隙越寬,崩潰電場強度越高。SiC 的崩潰電場約為 Si 的10倍,確保相同耐壓所需的漂移層厚度可縮減到約1/10,而且不純物濃度可以提高。漂移層是導通電阻的主要來源,因此能大幅降低導通損耗。
寬能隙半導體有哪些課題?
成本。SiC 無法從熔液拉晶,必須以昇華法成長,因此晶圓昂貴,口徑也還在轉換到200mm 的過程中。GaN 雖可在 Si 基板上成長以降低成本,但不易製作垂直結構,高耐壓化受到限制。預期短期內仍將依用途適材適所。

相關設備・材料

比較文章

所屬主題