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摘 要：几乎所有带有电源电路的电子设备都装有半导体器件，以控制电流开/关的功率，半导体器件是我们生活中不可缺少的一部分。产综研正在进行一项研究，减少功率半导体器件的功率损耗（高效率），提升其速度（高速）、增加其耐久性（高耐性）。这三种性能是一种权衡关系，很难用一种材料全部实现。氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）这两种材料大有希望成为下一代半导体材料。产综研聚焦这两种材料，开发了一种结合了二者特性的混合功率半导体，并在2021年成功完成了世界首次运行演示。该成果不仅可以应用于家用电气产品，还可应用于发电设备、电动汽车、火车等交通工具，甚至是输电设施、工业设备和无人机等各种应用场景。该研究有望减少全世界电子设备电源在开/关时的功率损耗，产生前所未有的节能效果。将这两种半导体材料合二为一的想法源自哪里？技术要点、未来发展又如何？针对这些问题，本文对研究人员进行了采访。
关键字：混合型功率半导体、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、下一代功率半导体材料、功率半导体器件
电子产品广泛应用于人们的日常生活。几乎所有的电子产品都会用到“功率半导体器件”来控制电源转换。电源转换需要能够以高速（每秒1000至100万次）开关高电压和大电流的开关。机械开关需要靠人为地不断开、关电源，无法完成这种控制，需要利用半导体的特性，由电信号来控制开/关。
在肉眼看不到的地方，电力损耗正悄然发生。在长时间使用交流适配器后，通常适配器会发热。这并非适配器的故障，而是电阻使部分电能转化为热量，导致电能损失。这种电能损失不仅发生在小小的交流适配器中，还同样发生在其他电子产品、工业设备，甚至处理大量电力的发电站和变电站等大型设施中。如果能减少这部分电力损耗，就能对节电、节能做出巨大贡献，因此，全球都在进行关于提高功率半导体器件性能的研究和开发。
理想的功率半导体器件应该是：①具备“耐久性”，在关闭状态下具有无限的耐压能力；②“无损耗”，在开启状态下具有像超导一样的零电阻；③“超高速”，开启关闭的切换时间无限接近于零秒。然而，在实际的功率半导体器件中，根据所采用的材料的不同，①-③的性能各自有一个有限的值，而这三种性能的实现是一个此消彼长的权衡关系。
对功率半导体器件的研究始于1960年代。长久以来，科研人员采用由硅（Si）制成的半导体晶体作为半导体材料。功率半导体器件通常需要处理高电压和大电流。近年来，随着电容的增加，硅的物性正在接近其极限。为了提升上述处于权衡关系当中的三种性能，研究人员开始尝试开发采用硅以外的材料制成的新型半导体器件。
目前，碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和金刚石（C）被认为是最具前景的下一代功率半导体材料。在这些化合物中，电子（-）和空穴（+）从价带跃迁到导带所需的能量（带隙）比传统硅要高两倍以上，因此采用这些材料的半导体通常被称为“宽带隙半导体”。
从原子周期表看半导体材料特性
与传统材料半导体相比，使用硅（Si）和碳（C），或镓（Ga）和氮（N）的半导体跃迁能量更大，因而称为“宽带隙半导体”
目前，在宽带隙半导体的研究当中，SiC材料半导体的研究最为深入，这种半导体有高功率和高可靠性的优点。目前，直径200mm的大型衬底已经投入实际使用，并已经安装于日本的N700系列新干线，以及特斯拉等电动汽车。然而，由于材料特性，很难进一步提升其运转速度。
GaN是研发水平仅次于SiC的材料，对于GaN的研究已经持续了很长时间。最初，GaN是蓝色发光二极管（LED）的材料，它作为白色LED光源，为各种照明的节能做出了贡献。最近，将这种材料用于功率半导体器件的相关研究也取得了进展，例如，在笔记本电脑充电器等产品的产品说明当中就越来越多地出现这种材料。由于其在开启状态下导通损耗低，且开关切换动作速度快，因此被用于交流适配器等低功率应用。但GaN也存在缺点，比如极轻微的噪音就会破坏其元件，因此与SiC相比，其耐久性仍存在问题。
如上所述，用于宽带隙半导体的每种材料都有其自身的特点和问题，可以预测，如采用单一材料，其性能将在不久的将来达到极限，就像硅一样。