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。