1979年，我在通用電氣公司工作時推導出了單極型半導體功率器件的比導通電阻與半導體材料基本特性之間的理論關系。我的理論為功率器件提供了Baliga性能指數(shù)(BFOM)，可以用來預測用寬禁帶半導體取代硅所帶來的性能提升。當時，在硅之后最成熟的半導體技術是砷化鎵(GaAs)，因為它應用于紅外激光器和發(fā)光二極管。根據(jù)BFOM預測，用GaAs取代硅，單極型功率器件的比導通電阻會變?yōu)樵瓉淼?/13.6，而其應用會擴展到更高的電壓和功率水平。通用電氣現(xiàn)有的GaAs器件制造基礎部門促使其管理層在20世紀80年代初指派了一個由10名科學家和技術人員組成的團隊，在我的指導下工作，奠定了基于GaAs的功率器件技術。我負責組織的一項重點工作是開發(fā)采用較低摻雜水平的GaAs外延層來制造高壓器件，創(chuàng)建一個工藝平臺來制造高性能歐姆和肖特基接觸，并針對該材料設計新穎的器件結構。這一努力最終在20世紀80年代的第一個寬禁帶半導體功率器件——肖特基整流器和垂直金屬-半導體場效應晶體管上證實了我的理論預測。

根據(jù)我的公式預測，在20世紀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90年代初，SiC晶圓開始商業(yè)化，我領導的功率半導體研究中心在1992年首次演示了開發(fā)的高電壓肖特基二極管。1997年，我們使用現(xiàn)有的6H-SiC材料演示了開發(fā)的高性能SiC功率金屬－氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。在我的指導下對SiC的碰撞電離系數(shù)進行了測量，測量給出的SiC的BFOM數(shù)據(jù)增加到1000。這些突破帶動了美國、歐洲和日本在開發(fā)更好的材料和設備方面的重大投資。第一個商用SiC產(chǎn)品是21世紀初上市的高壓結勢壘肖特基(JBS)二極管。由于在眾多應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)在的市場規(guī)模已增長到超過2億美元。

經(jīng)過多年對4H-SiC和熱生長氧化層界面之間性能的改善，2011年向市場推出第一款SiC功率MOSFET是可行的。通過業(yè)界嚴格的測試，解決了應用工程師最初對這些器件可靠性的擔憂�，F(xiàn)在，這些器件在光伏逆變器和電源等應用中得到了認可。這種器件必須與成熟的硅功率器件IGBT和超結FET競爭。市場增長的主要障礙是SiC功率器件過高的成本。世界各地的研究人員都在努力降低SiC功率器件的成本，這預示著未來市場是有希望的。

通過使用過渡層來解決晶格的失配，在硅襯底上生長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)結構與高導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，制造常關器件一直是一個挑戰(zhàn)，即便是常開結構仍然存在動態(tài)導通電阻問題。一些公司已經(jīng)采取了使用Baliga對或級聯(lián)結構實現(xiàn)常開的GaN HEMT產(chǎn)品的方法。其他研究人員則采用結構改造來獲得正的閾值電壓。這些器件已被證明能夠使功率電路在幾MHz的開關頻率下工作，從而使非常緊湊的電子產(chǎn)品成為可能。在單個芯片上集成多個器件的能力也為制造功率芯片產(chǎn)品創(chuàng)造了機會。

出版這本關于寬禁帶半導體功率器件書籍的動機源自我在2015年在愛思唯爾出版的《IGBT器件——物理、設計與應用》一書的成功，該書獲得了著名的PROSE獎，被評為當年工程和技術領域的最佳書籍。這本IGBT書籍對IGBT在過去25年中在社會各方面的應用及其社會影響進行了廣泛論述。

對于這本關于寬禁帶半導體功率器件的書，我想涵蓋從材料特性到器件結構以及應用的整個領域。很高興聯(lián)系的所有撰寫本書的專家都熱情地接受了我的提議。不幸的是，由于涉及技術秘密的原因，一些作者未能兌現(xiàn)他們的承諾。盡管如此，本書的內容對寬禁帶半導體功率器件的最先進研究水平進行了全面討論，這對電力電子領域是非常有益的。

本書從引言第1章開始，提供了關于寬禁帶半導體材料的功率器件優(yōu)點的概述。在本章中描述了各種類型的功率器件結構，以便讀者知曉在本書的其余部分會更深入討論的技術。

第2章，關于SiC材料的性質，由京都大學的Kimoto教授撰寫，提供了SiC材料的基本特性的信息，這與功率器件的設計和分析有關。重點是4H-SiC多型，因為它在制造SiC功率器件方面占主導地位。討論包括影響少數(shù)載流子壽命的缺陷，因為它與雙極型SiC功率器件(如非常高電壓的IGBT)有關。

第3章，關于氮化鎵和相關Ⅲ-Ⅴ氮化物的物理特性，由倫斯勒理工學院的Bhat教授撰寫，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異質結結構中的電學特性，因為它對已經(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層生長過程中產(chǎn)生的缺陷，因為它與這些器件的可靠性相關。

第4章，關于SiC功率器件的設計和制造，由筑波大學的Iwamuro教授撰寫，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整流器的物理機制，并對它們在各種阻斷電壓下的性能進行了量化。魯棒性邊緣終端的設計是最大化其性能的關鍵。對采用平面或溝槽柵極方法的SiC功率MOSFET結構進行了廣泛的討論。這些器件良好的短路能力對于它們在應用中的接受程度是至關重要的。本章還分析了開發(fā)超高電壓SiC IGBT的潛力。

第5章，關于GaN智能功率器件和集成電路，