1.4 半导体材料的发展

在科技不断进步的过程中，半导体材料的发展至今经历了三个阶段：

第一代半导体被称为“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。其中，硅基半导体技术应用比较广、技术比较成熟。截至目前，全球半导体产业99%以上的半导体芯片和器件都是以硅片为基础材料生产出来的。

在1950年左右，半导体材料却以锗为主导，主要应用于低压、低频及中功率晶体管中，但它的缺点也极为明显，那就是耐高温和抗辐射性能较差。

到了1960年，0.75in（19mm）单晶硅片的出现让锗基半导体的缺点被无限放大的同时，硅基半导体也彻底取代了锗基半导体的市场。

进入21世纪以后，随着通信技术的飞速发展，GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）等半导体材料成为新的市场需求，这也是第二代半导体材料，被称为“化合物半导体”。

由于对电子器件使用条件的要求提高，要适应高频、大功率、耐高温、抗辐射等环境，第三代宽禁带半导体材料迎来了新的发展。当然，第三代半导体也是化合物半导体，主要包括SiC、GaN等材料，至于为何被称为宽禁带半导体材料，主要是因为其禁带宽度大于或等于2.3eV（电子伏特）。同时，由于第三代半导体具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，因此也被业内誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”以及光电子和微电子等产业的“新发动机”。

虽然同为第三代半导体材料，但由于SiC和GaN的性能不同，所以应用的场景也存在差异。GaN的市场应用偏向高频小电力领域，集中在1000V以下；而SiC适用于1200V以上的高温大电力领域，两者的应用领域覆盖了新能源汽车、光伏、机车牵引、智能电网、节能家电、通信射频等大多数具有广阔发展前景的新兴应用市场。

与GaN相比，SiC的热导率是GaN的三倍以上，在高温应用领域更有优势；同时SiC单晶的制备技术相对更成熟，所以SiC功率器件的种类远多于GaN。SiC功率器件主要包括功率二极管和晶体管（开关管）。SiC功率器件可使电力电子系统的功率、温度、频率、抗辐射能力、效率和可靠性倍增，带来体积、质量以及成本的大幅降低。SiC功率器件的应用领域可以按电压划分：低压应用（600V～1.2kV）：高端消费领域（如游戏控制台、等离子和液晶电视等）、商业应用领域（如笔记本电脑、固态照明、电子镇流器等），以及其他领域（如医疗、电信、国防等）；中压应用（1.2～1.7kV）：电动汽车/混合电动汽车（EV/HEV）、太阳能光伏逆变器、不间断电源（UPS）以及工业电机驱动（交流驱动）等；高压应用（2.5kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV及以上）：风力发电、机车牵引、高压/特高压输变电等。

以SiC为材料的二极管、MOSFET、IGBT等器件未来有望在汽车电子领域取代Si。对比目前市场主流1200V硅基IGBT及SiC MOSFET，可以发现SiC MOSFET产品较Si基产品能够大幅缩小芯片尺寸，且表现性能更好。但是目前最大的阻碍仍在成本，据测算，单片成本SiC比Si基产品高出7～8倍。但随着技术进步，成本会逐步降低，第三代宽禁带半导体器件尤其在电力电子功率半导体领域有着广阔的发展空间，后面的章节将详细阐述第三代宽禁带半导体器件的特点及其制备、封装和应用。

无论半导体材料的发展如何，所有的半导体器件都需要封装，对于功率半导体器件来说，封装尤为重要，其散热的性能、功耗、绝缘性，以及工作可靠性都和封装有着直接且重要的关系，所以选择合适的封装并高效、高质量地完成对芯片的封装工艺对于发挥器件的性能尤为关键。