全球有40%的能量作为电能被消耗了, 而电能转换最大耗散是半导体功率器件。我国作为世界能源消费大国, 如何在功率电子方面减小能源消耗成了一个关键的技术难题。伴随着第三代半导体电力电子器件的诞生，以碳化硅和氮化镓为代表的新型半导体材料走入了我们的视野。

　　早在1893年诺贝尔奖获得者法国化学家亨利莫桑（Henri Moissan）在非洲发现了晶莹剔透的碳化硅（SiC）单晶碎片。由于SiC是硬度仅次于金刚石的超硬材料，SiC单晶和多晶材料作为磨料和刀具材料广泛应用于机械加工行业。作为半导体材料应用，相对于Si，SiC具有10倍的电场强度，高3倍的热导率，宽3倍禁带宽度，高一倍的饱和迁移速度。

　　简单来说，SiC半导体材料在三个方面被认为具有很大的市场潜力： SiC同质外延用于高电压大功率电力电子器件；高阻SiC基体材料用于生长GaN HEMT射频器件；在SiC基体材料上生长GaN LED高亮度LED外延。

　　从80年代开始以美国CREE公司为代表的国际企业就开始专注于半导体应用的SiC材料商用化的开发。2000年起英飞凌首先开发出600V SiC肖特基二极管（SBD）与其COOLMOS配套使用与通讯电源的PFC应用拉开了SiC电力电子器件市场化的幕布。随后CREE，ST，罗姆等企业也纷纷推出了SBD的全系列产品。从2014年开始CREE，罗姆，GE开始在市场上推广MOSFET器件。

　　氮化镓（GaN）因为缺乏合适的单晶衬底材料，基本上是在蓝宝石，SiC或者Si的基板材料上采用MOCVD或者MBE等外延技术生长出基本的器件结构，由于是异质外延，因此材料缺陷比较多，位错密度比较大，在上世纪90年代以前发展缓慢。进入90年代以后，日本在LED应用技术上取得了巨大的进展，特别是在中国大陆在过去10多年LED市场的高速发展，带动了GaN材料产业的产业化进程。

　　由于CREE在电力电子用碳化硅材料和器件的垄断地位迫使很多功率企业采取GaN技术路线作为下一代功率半导体器件的发展方向。为了降低成本，基本上采用Si衬底上生长GaN外延并采用成熟的CMOS兼容工艺制备器件。近年来GaN的单晶基体材料也有了突破进展，已经能够生长出2英寸外延。美国曾经有一家企业AVOGY曾经试图采用GaN同质外延生产PIN功率二极管和其他开关管，但是由于材料成本昂贵，并不成功。目前GaN单晶材料主要还是用于光电器件，比如激光器和太赫兹等领域。

　　SiC和GaN电力电子器件由于本身的材料特性，各自都有各自的优点和不成熟处，因此在应用方面有区别 。一般的业界共识是：SiC适合高于1200V的高电压大功率应用；GaN器件更适合于40-1200V的高频应用。在600V和1200V器件应用领域，SiC和GaN形成竞争。

　　如果说在电力电子器件方面，SiC和GaN存在着竞争，那么在射频器件和射频IC方面，SiC和GaN是完美的一对儿，基本材料结构是在高阻（高纯度）的SiC基体上生长GaN外延。图一这张表比较了SiC, GaN和Si作为半导体材料应用的特征参数。

　　▲图一、SiC, GaN和Si作为半导体材料应用的特征参数的比较