隨著運算需求不斷地提高，新興能源也同步崛起，傳統矽基半導體材料逐漸逼近其物理極限，而寬能隙半導體材料以其優越的性能，漸漸走入主流的電子系統設計之中。它以更高的擊穿電壓、更快的開關速度、更高的工作溫度，讓寬能隙半導體材料在 電動車、5G 通訊、再生能源等領域，展現出巨大的應用潛力，也為半導體產業帶來了一場全新的技術變革。
什麼是寬能矽材料?
寬能隙材料是指禁帶寬度 (band gap) 比傳統半導體材料 (如矽) 更寬的半導體材料。禁帶寬度是指將電子從價帶激發到導帶所需的能量，而寬能隙材料的禁帶寬度通常大於 2 電子伏特 (eV)，而矽的禁帶寬度約為 1.1 eV。
至於為什麼寬能隙材料很重要？因為更寬的禁帶寬度賦予了這些材料許多優於傳統半導體的特性，例如更高的擊穿電壓， 可以承受更高的電壓，減少功率損耗，提高效率。再者，更高的工作溫度，可以在更高的溫度下工作，更適合於惡劣環境。其三，更快的開關速度，可以更快地開關，提高效率和性能。
目前常見的寬能隙材料，包含碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、以及正逐漸冒出頭角的氧化鎵 (Ga2O3)。
SiC具有高擊穿電壓、高熱導率和高電子飽和速度，廣泛應用於功率電子元件；GaN則具有高電子遷移率和高擊穿電壓，適用於高頻和高功率應用；Ga2O3具有超寬禁帶寬度和高擊穿電壓，是新興的寬能隙材料。
| 圖一 : 寬能隙材料是指禁帶寬度 (band gap) 比傳統半導體材料 (如矽) 更寬的半導體材料。 |
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寬能隙材料的製造進展
雖然寬能隙材料有絕佳的電氣性能，但它的產能與品質一直是相關元件擴大市場的瓶頸所在，因此其製造技術也一直是產業發展的關鍵。近年來，隨著技術的進步，寬能隙材料的製備技術取得了顯著的進展。
首先，就是基板材料的提升。由於高品質的基板材料是製造高性能寬能隙元件的基礎。近期SiC基板的品質和尺寸都有了顯著提升，例如6英吋SiC晶圓已進入普及階段，8英吋量產計劃也已公佈。GaN基板方面，2英吋晶圓趨於普及，4英吋晶圓的量產也正在推進 。然而，製作SiC單晶晶棒比Si晶棒困難許多，且生長時間更長。GaN與Si基板的晶格匹配和熱膨脹係數匹配也存在問題，這些都是寬能隙材料製備過程中需要克服的挑戰。
磊晶技術則是寬能隙材料製備的另一關鍵環節。近年來，MOCVD（有機金屬化學氣相沉積）技術的應用，可以有效提高磊晶層的品質和均勻性，缺陷控制技術的提升，也可以有效降低材料中的缺陷密度，都對寬能隙材料的產量與成本也正面的提升。
| 圖二 : 近年來，製程技術不斷優化，可以提高元件的性能和可靠性。 |
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寬能隙元件的設計與製造技術
除了材料製備技術，寬能隙元件的設計和製造技術也不斷有新進展。
在元件結構方面．研究人員開發出新的垂直結構的GaN元件，可以有效提高元件的功率密度和效率。部分廠商也開始研發基於Si和SiC基板的GaN產品 。
至於製程技術，寬能隙元件的製造需要特殊的製程技術。近年來，製程技術不斷優化，例如利用新的蝕刻技術和金屬化技術，可以提高元件的性能和可靠性。
特別是高功率的應用中，針對系統的需求，設計人員也提出了新的電路設計，採用軟開關技術的半橋拓撲結構，實現最快的開關速度和最低的轉換損耗。
寬能隙元件的應用領域
在元件與製程技術不斷推陳出新的帶動下，寬能隙元件的應用領域也不斷擴展，以下就是幾個重要的發展項目：
? 電動車：寬能隙材料可以提高電動車的效率和續航里程。根據市場研究機構 Yole Developpement 的預測，全球SiC功率元件市場規模將在 2026年達到41億美元，年複合成長率為34%。其中，電動車是SiC功率元件最大的應用市場。
? 再生能源：寬能隙材料可以提高太陽能和風能等再生能源的轉換效率。太陽能逆變器為例， 寬能隙元件可以提高逆變器的效率，減少能量損耗。
? 5G 通訊：寬能隙材料可以提高5G基站的效率和功率密度。尤其是典型的5G基站的功率需求比4G基站高70%，更需要寬能隙元件的導入。
? 消費性電子產品：基於「GaN on Si」技術的快速充電器可以提供 60 瓦以上的功率，同時體積更小、效率更高 。
? 其他應用：寬能隙材料還可以應用於照明、醫療設備、航太等領域 。GaAs也被應用於數據通訊和感測器中的VCSEL。
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