1979年，我在通用電氣公司工作時(shí)推導(dǎo)出了單極型半導(dǎo)體功率器件的比導(dǎo)通電阻與半導(dǎo)體材料基本特性之間的理論關(guān)系。我的理論為功率器件提供了Baliga性能指數(shù)(BFOM)，可以用來(lái)預(yù)測(cè)用寬禁帶半導(dǎo)體取代硅所帶來(lái)的性能提升。當(dāng)時(shí)，在硅之后最成熟的半導(dǎo)體技術(shù)是砷化鎵(GaAs)，因?yàn)樗鼞?yīng)用于紅外激光器和發(fā)光二極管。根據(jù)BFOM預(yù)測(cè)，用GaAs取代硅，單極型功率器件的比導(dǎo)通電阻會(huì)變?yōu)樵瓉?lái)的1/13.6，而其應(yīng)用會(huì)擴(kuò)展到更高的電壓和功率水平。通用電氣現(xiàn)有的GaAs器件制造基礎(chǔ)部門(mén)促使其管理層在20世紀(jì)80年代初指派了一個(gè)由10名科學(xué)家和技術(shù)人員組成的團(tuán)隊(duì)，在我的指導(dǎo)下工作，奠定了基于GaAs的功率器件技術(shù)。我負(fù)責(zé)組織的一項(xiàng)重點(diǎn)工作是開(kāi)發(fā)采用較低摻雜水平的GaAs外延層來(lái)制造高壓器件，創(chuàng)建一個(gè)工藝平臺(tái)來(lái)制造高性能歐姆和肖特基接觸，并針對(duì)該材料設(shè)計(jì)新穎的器件結(jié)構(gòu)。這一努力最終在20世紀(jì)80年代的第一個(gè)寬禁帶半導(dǎo)體功率器件——肖特基整流器和垂直金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管上證實(shí)了我的理論預(yù)測(cè)。

根據(jù)我的公式預(yù)測(cè)，在20世紀(jì)80年代，利用已知的特性，用碳化硅(SiC)取代硅，電阻降低了200倍。到20世紀(jì)90年代初，SiC晶圓開(kāi)始商業(yè)化，我領(lǐng)導(dǎo)的功率半導(dǎo)體研究中心在1992年首次演示了開(kāi)發(fā)的高電壓肖特基二極管。1997年，我們使用現(xiàn)有的6H-SiC材料演示了開(kāi)發(fā)的高性能SiC功率金屬－氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。在我的指導(dǎo)下對(duì)SiC的碰撞電離系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量給出的SiC的BFOM數(shù)據(jù)增加到1000。這些突破帶動(dòng)了美國(guó)、歐洲和日本在開(kāi)發(fā)更好的材料和設(shè)備方面的重大投資。第一個(gè)商用SiC產(chǎn)品是21世紀(jì)初上市的高壓結(jié)勢(shì)壘肖特基(JBS)二極管。由于在眾多應(yīng)用中作為硅絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的反向并聯(lián)二極管，這些器件現(xiàn)在的市場(chǎng)規(guī)模已增長(zhǎng)到超過(guò)2億美元。

經(jīng)過(guò)多年對(duì)4H-SiC和熱生長(zhǎng)氧化層界面之間性能的改善，2011年向市場(chǎng)推出第一款SiC功率MOSFET是可行的。通過(guò)業(yè)界嚴(yán)格的測(cè)試，解決了應(yīng)用工程師最初對(duì)這些器件可靠性的擔(dān)憂(yōu)。現(xiàn)在，這些器件在光伏逆變器和電源等應(yīng)用中得到了認(rèn)可。這種器件必須與成熟的硅功率器件IGBT和超結(jié)FET競(jìng)爭(zhēng)。市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要障礙是SiC功率器件過(guò)高的成本。世界各地的研究人員都在努力降低SiC功率器件的成本，這預(yù)示著未來(lái)市場(chǎng)是有希望的。

通過(guò)使用過(guò)渡層來(lái)解決晶格的失配，在硅襯底上生長(zhǎng)GaN層，GaN功率器件的發(fā)展走上了一條不同尋常的道路。這一突破使得GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)結(jié)構(gòu)與高導(dǎo)電性的二維電子氣層成為可能。這些橫向器件提供了非常優(yōu)越的漂移區(qū)電阻。然而，制造常關(guān)器件一直是一個(gè)挑戰(zhàn)，即便是常開(kāi)結(jié)構(gòu)仍然存在動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻問(wèn)題。一些公司已經(jīng)采取了使用Baliga對(duì)或級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)常開(kāi)的GaN HEMT產(chǎn)品的方法。其他研究人員則采用結(jié)構(gòu)改造來(lái)獲得正的閾值電壓。這些器件已被證明能夠使功率電路在幾MHz的開(kāi)關(guān)頻率下工作，從而使非常緊湊的電子產(chǎn)品成為可能。在單個(gè)芯片上集成多個(gè)器件的能力也為制造功率芯片產(chǎn)品創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

出版這本關(guān)于寬禁帶半導(dǎo)體功率器件書(shū)籍的動(dòng)機(jī)源自我在2015年在愛(ài)思唯爾出版的《IGBT器件——物理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用》一書(shū)的成功，該書(shū)獲得了著名的PROSE獎(jiǎng)，被評(píng)為當(dāng)年工程和技術(shù)領(lǐng)域的最佳書(shū)籍。這本IGBT書(shū)籍對(duì)IGBT在過(guò)去25年中在社會(huì)各方面的應(yīng)用及其社會(huì)影響進(jìn)行了廣泛論述。

對(duì)于這本關(guān)于寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的書(shū)，我想涵蓋從材料特性到器件結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用的整個(gè)領(lǐng)域。很高興聯(lián)系的所有撰寫(xiě)本書(shū)的專(zhuān)家都熱情地接受了我的提議。不幸的是，由于涉及技術(shù)秘密的原因，一些作者未能兌現(xiàn)他們的承諾。盡管如此，本書(shū)的內(nèi)容對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的最先進(jìn)研究水平進(jìn)行了全面討論，這對(duì)電力電子領(lǐng)域是非常有益的。

本書(shū)從引言第1章開(kāi)始，提供了關(guān)于寬禁帶半導(dǎo)體材料的功率器件優(yōu)點(diǎn)的概述。在本章中描述了各種類(lèi)型的功率器件結(jié)構(gòu)，以便讀者知曉在本書(shū)的其余部分會(huì)更深入討論的技術(shù)。

第2章，關(guān)于SiC材料的性質(zhì)，由京都大學(xué)的Kimoto教授撰寫(xiě)，提供了SiC材料的基本特性的信息，這與功率器件的設(shè)計(jì)和分析有關(guān)。重點(diǎn)是4H-SiC多型，因?yàn)樗�在制造SiC功率器件方面占主導(dǎo)地位。討論包括影響少數(shù)載流子壽命的缺陷，因?yàn)樗�與雙極型SiC功率器件(如非常高電壓的IGBT)有關(guān)。

第3章，關(guān)于氮化鎵和相關(guān)Ⅲ-Ⅴ氮化物的物理特性，由倫斯勒理工學(xué)院的Bhat教授撰寫(xiě)，提供了氮化鎵(GaN)材料的基本特性的信息。包括二維電子氣在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中的電學(xué)特性，因?yàn)樗鼘?duì)已經(jīng)商業(yè)化的橫向GaN HEMT器件非常重要。討論在硅襯底上的GaN層生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，因?yàn)樗�與這些器件的可靠性相關(guān)。

第4章，關(guān)于SiC功率器件的設(shè)計(jì)和制造，由筑波大學(xué)的Iwamuro教授撰寫(xiě)，提供了SiC功率二極管和晶體管的全面討論。描述了SiC P-i-N二極管和JBS整流器的物理機(jī)制，并對(duì)它們?cè)诟鞣N阻斷電壓下的性能進(jìn)行了量化。魯棒性邊緣終端的設(shè)計(jì)是最大化其性能的關(guān)鍵。對(duì)采用平面或溝槽柵極方法的SiC功率MOSFET結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛的討論。這些器件良好的短路能力對(duì)于它們?cè)趹?yīng)用中的接受程度是至關(guān)重要的。本章還分析了開(kāi)發(fā)超高電壓SiC IGBT的潛力。

第5章，關(guān)于GaN智能功率器件和集成電路，