宽禁带半导体：助力电动汽车、紫外线技术和无线通信的变革

半导体应用范围极广，从毫瓦级的移动充电器到吉瓦级的工业系统，从高精度传感器到先进的光电器件，不一而足。几十年来，硅（Si）一直是半导体技术的基石，推动了各行各业无数的创新。然而，随着多个应用领域对性能要求的不断提升，硅的基本材料属性（如相对较小的禁带宽度和有限的热处理能力）已成为其在高电压、高温和高功率应用中的制约因素。

解决方案在于宽禁带（WBG）和超宽禁带（UWBG）半导体。与硅相比，这些先进材料的价带和导带之间的能隙更大，从而释放出卓越的性能特征。这在严苛的高应力环境下带来了诸多性能优势。

[H2]: 什么是宽禁带和超宽禁带半导体？

宽禁带和超宽禁带材料之所以能实现卓越性能，是因为其更宽的禁带源于更强、更短且离子性或共价性更强的键，例如金刚石中的 C–C 键，或 III-N 半导体中的 Al–N 和 Ga–N 键。这使电子局部化并减少了轨道重叠，从而在能带之间产生了巨大的能量间隔。这些坚硬的键合网络通常涉及碳、氮和硼等轻原子，能产生高声子能量和优异的导热性，从而实现高温和高功率运行。  

WBG 材料的禁带宽度通常在 2–4 eV 范围内，明显大于硅（约 1.2 eV）。关键材料包括碳化硅（SiC，约 3.2 eV）和氮化镓（GaN，约 3.4 eV），它们被广泛用于高电压、高温和高频功率及射频（RF）器件中。UWBG 材料的禁带宽度大于 4 eV，性能更进一步，较硅和 WBG 材料有显著提升。这包括氧化镓（β‑ Ga 等材料。_{2O3）等材料。}O₃，~4.8 eV）、氮化铝（AlN，~6.2 eV）和立方氮化硼（c‑BN，~6.4 eV）。超宽禁带（UWBG）半导体还在击穿强度、功率密度和极端环境适应能力方面具有显著优势。  

数据驱动的分析有助于我们审视宽禁带（WBG）半导体转型背后的根本驱动力。它还使我们能够探索其在电力电子、光电和传感应用领域带来的变革性影响。通过使用基于选定 CAS 登记号® 和特定应用 CAS 受控词汇构建的聚焦检索策略，我们从 CAS Content Collection™ 中检索到了超过 77,000 篇期刊文章和同族专利，并利用 CAS IP Finder, powered by STN^TM进行了分析。  

图 1. WBG 和 UWBG 半导体的出版趋势。插图显示了期刊文章和同族专利的比例。*2026 年的数据截至 2 月。来源：CAS Content Collection。

数据表明，WBG 和 UWBG 半导体是一个快速发展且具有商业价值的技术领域，其特点是科研产出加速和商业化趋势强劲。2016 年至 2025 年的出版趋势显示出持续上升的轨迹，在 2019 年后显著加速，并于 2025 年达到峰值：这些明确的信号表明，该领域正从探索性研究转向技术成熟阶段。专利数量超过期刊出版物进一步凸显了这一转变。该行业已不再处于观望状态，而是积极保护知识产权、扩大创新规模，并推动器件向市场集成迈进。

[H2]: 碳化硅和氮化镓在材料领域占据主导地位

图 2（中心图表）显示了各材料类别中期刊和专利的相对贡献，其中期刊出版物在宽禁带（WBG，57%）和超宽禁带（UWBG，43%）材料之间相对平衡，而专利活动则更倾向于宽禁带材料（64% WBG 对 36% UWBG）。这种对比表明，尽管宽禁带材料已转化为商业技术，但超宽禁带材料仍主要处于研究驱动阶段，随着技术成熟度和工业信心的提升，预计未来将实现更广泛的商业化。

图 2： 宽禁带和超宽禁带半导体相关出版物的分布。中心图显示了总体分布，右侧和左侧分别为宽禁带和超宽禁带的独立图表。对于每个图表，内圈饼图对应期刊出版物，外环则表示专利出版物。 来源：CAS Content CollectionTM。

在宽禁带类别中（图 2 右侧），碳化硅和氮化镓占据主导地位，但两者的期刊与专利动态存在显著差异。碳化硅呈现出以专利为主的特征，反映了其在电力电子领域的工业成熟度和广泛的商业化应用。相比之下，氮化镓的期刊与专利比例更为平衡，表明在学术创新活跃的同时，其商业化进程也在不断增长，但集中度相对较低。  

此外， 人工智能和机器学习方法 正越来越多地应用于碳化硅和氮化镓等成熟的宽禁带平台，以支持器件建模、缺陷分析和制造良率优化。与此同时，受修订后的 杂化泛函带隙计算的推动，磷化物宽禁带材料（如磷化铝和磷化镓）的研究兴趣显著回升。 使其在未来的高频和异质结构应用中，能够与传统的 III–V 族半导体并驾齐驱。

在超宽禁带（UWBG）半导体领域，目前的格局以广泛的学术探索为主，AlN、BN、金刚石以及 Ga₂O₃等新兴材料在期刊发表方面表现活跃。UWBG 材料的专利活动则更为集中，尤其是 AlN，它是该类别中最具商业前景的候选材料。这归功于其热管理特性，能够满足当前的市场需求。  

总的来说，这些模式揭示了一个技术管线：碳化硅和氮化镓处于成熟且可部署的阶段，而 UWBG 材料仍处于研究密集型阶段，但已显现出工业应用的早期迹象，这标志着它们将成为未来极端环境技术的下一个前沿领域。  

[H2]: 器件布局揭示了技术成熟度

为了了解这些材料趋势如何转化为实际的技术应用，我们利用 CAS 索引概念将宽禁带（WBG）和超宽禁带（UWBG）材料映射到特定的器件类别，涵盖从电力电子到射频组件的各个领域。  

图 3： 器件分布及各类别中的主要器件。 数据包括代表 WBG 和 UWBG 材料的期刊和专利出版物。来源：CAS Content Collection（缩写：高电子迁移率晶体管：HEMT，薄膜晶体管：TFT，金属氧化物半导体场效应晶体管：MOSFET，鳍式场效应晶体管：FinFET，金属-绝缘体-半导体场效应晶体管：MISFET，异质结构场效应晶体管：HEFT，电致发光器件：ELD，半导体：SC，互补金属‑氧化物‑半导体：CMOS，集成电路：IC，金属-绝缘体-半导体：MIS，动态随机‑存取存储器：DRAM，绝缘体上硅：SOI）。

器件分布凸显了 WBG 和 UWBG 半导体如何集中在那些能够将其电气、热学和光学优势转化为性能增益的功能领域（见图 3）。晶体管技术占据主导地位，因为这些材料所实现的电压处理能力、开关速度和耐热性远超硅材料的极限。这一点在先进晶体管架构（HEMT、FinFET、MISFET 和 HEFT）的活跃研发中得到了体现，这些架构依赖高击穿场和快速载流子传输来实现高效的高功率和高频操作。发光器件构成了下一个主要集群，其中宽带隙允许在宽光谱范围内高效产生光子，从而支持通信、传感和杀菌中使用的 LED、MicroLED 显示器、半导体激光器和紫外线发射器。  

除了这些主流器件系列外，其应用范围还扩展至集成电路 (IC)、存储元件、热管理组件、储能接口和传感层，这表明 WBG/UWBG 材料的稳定性、高场耐受性和化学稳健性使电子设备能够在高温、高压、辐射条件以及超出硅工作范围的腐蚀性环境中可靠运行。

近期的创新成果描述了将非晶碳化硅与纳米硅和烃相相结合，以构建具有压缩性和机械韧性的电极框架，从而抑制体积膨胀并提高循环稳定性和倍率性能。碳化硅和氮化硼在热管理组件中也占据重要地位，特别是在电动汽车电池模块中，其高导热性、电绝缘性和极端的温度稳定性实现了高效的 散热 和稳健的 结构性能。  

专利显示其在陶瓷涂层、蒸汽室界面和散热层中的用途，这些设计旨在维持电池组安全、紧凑的运行。在气体传感应用中，宽禁带（WBG）/超宽禁带（UWBG）氧化物和氮化物，包括 AlN、Ga₂O₃以及 GaN，提供了化学性质稳定的高带隙阻挡层，支持电子隧穿检测和选择性化学吸附。相关进展包括 共形 UWBG 涂层 覆盖在多孔传感薄膜上，以实现适用于严苛环境、抗漂移且高精度的微型气体传感器。

[H2]：宽禁带半导体的新兴器件应用

虽然器件布局描述了 WBG 和 UWBG 材料在各类器件中的分布情况，但通过考察近年来（2023-2025 年）这些器件的平均增长率，可以为研究和专利活动提供一个补充视角。  

新兴的器件布局揭示了 WBG 和 UWBG 材料如何将创新扩展到以往无法触及的新领域（见图 4）。一个引人注目的发现是碳化硅与飞秒激光相关器件活动之间的关联。尽管碳化硅是一种间接带隙材料，不适合作为传统的激光介质，但这种联系反映了基于飞秒激光的 色心工程的快速进展，研究人员现在能够以高空间精度在碳化硅内部写入量子缺陷。这是一种被称为量子缺陷工程的新兴能力，正在开启全新的量子光子学和传感平台。

图 4： 基于 2023-2025 年平均增长率的新兴器件，按 (A) WBG 和 (B) UWBG 材料分组。（缩写：金属半导体场效应晶体管：MESFET）。 来源：CAS Content CollectionTM

另一个显著的观察结果是氮化硼在集成电路（IC）和栅极相关类别中的出现频率不断增加。氮化硼并非逻辑应用中的有源半导体。相反，它正成为一种至关重要的界面工程和 绝缘/介电材料 ，应用于先进的晶体管架构中。其原子级平整的表面、超宽带隙（UBG）以及化学惰性，使得氮化硼在二维场效应晶体管（2D FET）、栅极电介质、阻挡层和纳米级集成电路布局中不可或缺，这也解释了其在与集成电路和栅极结构相关的出版物中激增的原因。

氮化镓与 MESFET 的关联与其作为这些器件中有源半导体通道的既定作用相一致。其宽带隙确保了低漏电和高击穿电压，而高电子迁移率和饱和速度则支持高效的高频和高功率运行。这些特性使得氮化镓 MESFET 非常适合快速开关和射频（RF）应用。

更广泛地说，氮化镓和 Ga₂O₃ 聚集在高功率和高频器件类别中，反映出市场对能够在极端热和电条件下可靠运行的组件需求日益增长。相比之下，磷化镓（GaP）、氮化铝（AlN）和镓酸锌则占据了快速扩张的光电领域——从紫外线发射到先进的传感和显示技术——而磷化铝（AlP）作为一种小规模但具有战略意义的新兴材料，与下一代光电探测器、存储器件和紫外光源相关联。  

总体而言，新兴器件的布局凸显了材料的内在优势如何推动电力电子、光子学和新型纳米级器件平台领域的创新。

[H2]: 器件如何转化为宽禁带半导体的应用

通过器件布局，我们可以了解宽禁带（WBG）和超宽禁带（UWBG）半导体的主要应用类别。然而，通过分析整体文献发表量和期刊与专利比率，我们可以确定在更广泛的创新领域中，哪些领域表现出更强的商业驱动力，而哪些领域仍更偏向于学术研究。

图 5： (A) 分析数据集中 WBG 和 UWBG 材料的应用分布及期刊-与-专利比率。(B) 对高-增长应用领域（光电子学和电力电子学）的深入-分析，重点介绍了主要的商业专利受让人。来源：CAS Content CollectionTM。

应用布局显示，光电子学和电力电子学是文献发表最密集的领域，其期刊与专利（J/P）比率接近平衡（≈1.0），反映出在基于 GaN/AlGaN 的 LED、紫外发射器、激光架构、SiC MOSFET 和 GaN HEMT 等领域，活跃的专利申请有力地支撑了学术研究（见图 5A）。通信和传感应用处于 J/P 比率的中等区间（≈0.7–0.8），表明学术界对此保持稳定关注，同时随着 GaN、AlN 和 Ga₂O₃ 等材料的应用，在严苛条件下实现了稳定、高精度的射频和气体传感平台。  

储能和转换系统显示出最低的 J/P 比率（≈0.18），呈现出以专利为主导的特征，其中碳化硅增强阳极、氮化硼和 Ga₂O₃ 界面工程以及金刚石基电极架构等创新，尽管总体发表量较低，但通过针对性的工业开发得到了推进。

[H3]: 光电子学

宽禁带（WBG）/超宽禁带（UWBG）材料现已成为从深紫外到近红外光电子技术栈的核心，其中氮化镓和碳化硅的发表量领先，而 AlN、BN、金刚石和 Ga₂O₃ 将能力扩展至 UV‑C 和严苛环境领域（见图 5B）。氮化镓和氮化铝镓是高效 LED、Micro-LED、激光器和可见光通信 (VLC) 的基础，而碳化硅则为大功率发射器和射频前端提供了热稳定性强的衬底和共集成路径。  

在超宽禁带前沿，氮化铝和氮化硼（包括六方氮化硼）实现了日盲光电探测器和深紫外发射器。金刚石贡献了极高的导热性和量子光子功能，而氧化镓₂O₃ 则凭借其高击穿场强推动了功率处理和紫外探测的发展。围绕这些材料，专利文献揭示了外延、极性控制、纳米结构化、表面钝化和单粒化技术的加速进步。这种工艺创新将实验室规模的突破转化为可扩展的器件。  

器件领域反映了这一点： 用于先进显示器的 Micro-LED 和量子点色彩 转换；用于紧凑、高效光源的 III-N 激光器和 垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 类架构 ；以及用于 单光子探测的新兴超导-半导体混合器件，其中碳化硅等宽禁带半导体被用作衬底以承受高临界温度。

这种材料发展轨迹与各行业紧密耦合，领先企业正将宽禁带/超宽禁带科学转化为可制造的平台。三星、索尼、艾迈斯欧司朗 (AMS OSRAM)、TCL 科技和三菱电机等器件制造商在 LED、Micro-LED 显示器、激光器和成像系统专利方面占据主导地位。这与氮化镓/氮化铝镓在出版物中的主导地位相一致，并推动了像素更精细、亮度更高、色彩转换更好的技术发展。Disco 和应用材料公司 (Applied Materials) 提供了实现这些目标的基础设施，例如激光切割、晶圆减薄、键合、表面处理和芯片级处理，这些都是大规模加工易碎且对热要求苛刻的宽禁带/超宽禁带晶圆所必需的。  

代工厂和集成商（如台积电、英特尔）通过硅光子学、III-N 射频集成和后端封装流程扩展了技术栈，而专业的碳化硅和氮化镓材料供应商则稳定了衬底和外延供应链。这形成了一个自我强化的循环：材料的进步解锁了新的器件概念，进而推动了在可制造性和良率关键步骤方面的专利申请，从而推动行业向日益成熟、可扩展的宽禁带/超宽禁带技术平台迈进。

[H3]: 电力电子

专利布局显示，电力电子生态系统正处于快速成熟期，主要由碳化硅和氮化镓驱动（见图 5B）。碳化硅是其中的核心支柱，拥有大量关于碳化硅半导体器件、外延晶圆技术以及专为电动汽车、工业驱动和铁路电力系统设计的高压模块的专利。其高导热性、宽禁带和击穿强度使碳化硅成为牵引逆变器、车载充电器和高效功率转换电路的首选材料。  

与此同时，氮化镓正越来越多地被集成用于高频和高功率开关，相关专利描述了先进的 HEMT 以及在碳化硅衬底上生长的氮化镓层，以实现更高的功率密度。碳化硅和氮化镓共同构成了现代功率转换的技术骨干，两者相辅相成，不断拓展各自的性能极限。

在各类应用中，交通运输和工业功率转换占据主导地位，近三分之一的专利与电动汽车牵引系统、移动控制和重型自动化相关。功率转换和管理方面的申请更为突出，重点在于降低热阻、先进的氮化铝（AlN）封装以及以可靠性为导向的模块设计。一个持续的主题是，仅靠宽禁带（WBG）材料是不够的，封装、热机械设计和系统级集成必须同步推进。许多专利专注于配套基础设施，包括外延控制、缺陷管理、晶圆减薄、键合以及专业的射频或传感模块。  

[H3]: 传感

在传感应用中，宽禁带/超宽禁带氧化物和氮化物提供了化学性质稳定的高禁带势垒层，支持电子隧穿检测和选择性化学吸附。专注于 先进掺杂和晶格工程 的专利展示了在实现可靠掺杂的氮化镓、氮化铝和氧化镓₂O₃ 材料方面所做的努力，这些材料具有受控的 p 型和 n 型区域，提高了高温压力、气体和化学传感器的灵敏度和稳健性。这些材料的高击穿场和宽禁带支持深紫外光电探测器、射频/微波传感以及极端环境下的传感器电子设备，这与诸如以下项目所强调的更广泛的技术发展目标相一致： DARPA 的 UWBG 计划 旨在开发先进的传感器级氮化铝 (AlN)、立方氮化硼 (c-BN) 和金刚石。

[H3]: 通信

氮化镓、氮化铝和碳化硅等材料现已成为 5G、6G、Wi-Fi 6E 及新兴亚太赫兹系统等先进射频通信技术的基石。专利重点关注高效的 射频功率放大器和前端模块，其中氮化镓因其高电子迁移率、击穿强度和卓越的高频性能而备受青睐。关键创新包括氮化镓高电子迁移率晶体管 (HEMT)、片上电压调节的共集成 功率放大器 ，以及专为大规模 多输入多输出 (MIMO)、毫米波 (mmWave) 接入点和卫星终端定制的多频段前端电路。基于氮化铝的薄膜体声波谐振器 (FBAR) 和声表面波 (SAW) 谐振器对于 5G 中频段和 Wi-Fi 共存仍然至关重要，它们利用高声速和高 Q 值材料，在日益提高的频率下实现低损耗和稳定的滤波。

[H3]: 能源存储

能源存储应用的期刊与专利比率最低（约 0.18），表明该领域的发展主要由专利驱动，碳化硅增强阳极、氮化硼界面工程和基于金刚石的电极架构正通过针对性的工业开发不断进步。近期专利描述了将非晶碳化硅与纳米硅结合，以构建机械性能稳健的电极框架，从而抑制体积膨胀并提高循环稳定性。碳化硅和氮化硼在电动汽车电池模块的热管理组件中占据重要地位，其高导热性和极端的温度稳定性能够实现高效的散热。

[H2]: 宽禁带半导体技术的未来

宽禁带（WBG）和超宽禁带（UWBG）半导体的发展轨迹预示着未来十年其性能与商业化进程将持续增长。随着电动交通、可再生能源系统和工业自动化对更高电压耐受性、热稳健性和长期可靠性的需求日益增加，碳化硅有望继续作为高功率转换的基础。与此同时，氮化镓正在快速充电电力电子、射频前端、毫米波系统以及新兴的亚太赫兹通信领域不断扩大其应用版图。  

诸如氮化铝（AlN）、氧化镓（Ga₂O₃）、氮化硼（BN）和金刚石等超宽禁带材料，有望开启下一个前沿领域：深紫外光子学、极端环境传感、超高压开关以及先进的介电和量子器件界面，特别是在掺杂、外延和缺陷工程等挑战不断被克服的情况下。

在所有材料类别中，决定未来应用的关键因素将是热管理、异构集成和可扩展制造。随着性能越来越依赖于封装、界面工程和模块级协同设计，竞争优势将转向那些能够将材料创新与可靠的大规模制造相结合的企业。  

前景展望表明，宽禁带和超宽禁带半导体将支撑下一代能源、通信、移动和传感技术，成为构建更加电气化、互联化和高频化世界的核心基石。

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