新型功率半導體結(jié)構(gòu)使可持續(xù)能源成為可能

最新估計表明，到2050年我們所需要的能源可能會達到現(xiàn)有能源的兩倍。礦物燃料的有害影響和隱約出現(xiàn)的短缺促使人們最近開始加速尋找環(huán)境友好型、可持續(xù)發(fā)展的新能源。

國際能源機構(gòu)（IEA）稱，他們的路線是正確的，而最重要的是科技創(chuàng)新?，F(xiàn)在清潔能源領(lǐng)域已經(jīng)吸引了大量的投資，例如，可再生能源、高能源效率和低污染技術(shù)等。但是分析家預計該領(lǐng)域在未來的20?30年中將會出現(xiàn)真正的投資激增。

轉(zhuǎn)變正在進行
在20世紀，當?shù)V物燃料成為第一次工業(yè)革命推動力的時候，我們的經(jīng)濟特點是大量的人工勞動、大型工廠以及物質(zhì)資料的生產(chǎn)。那時我們認為世界上的資源好像是無限的?，F(xiàn)在我們遇到了資源枯竭、礦物燃料所帶來的限制以及氣候變化的問題，這些問題使我們不得不重新考慮我們的能源消耗并轉(zhuǎn)而投向?qū)Νh(huán)境更加友好的方法。

現(xiàn)在，技術(shù)創(chuàng)新推動著我們的經(jīng)濟發(fā)展，通過服務(wù)和內(nèi)容等非物質(zhì)資料來改善我們的生活質(zhì)量。技術(shù)創(chuàng)新也將成為解決能源挑戰(zhàn)的關(guān)鍵，解決這項挑戰(zhàn)的唯一途徑便是大規(guī)模開發(fā)利用可再生能源，并以一切可以想到的方式來節(jié)省能源。

電子行業(yè)在這項轉(zhuǎn)變中將承擔重要的角色。用于產(chǎn)生可再生能源的技術(shù)，例如光伏系統(tǒng)、非糧食型生物燃料、風能以及混合動力汽車，得到了著名芯片公司的關(guān)注。

技術(shù)解決方案
不過，引入可再生能源資源來發(fā)電會給現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施帶來新的挑戰(zhàn)：
如何解決負載數(shù)量的增多，如何將各種非本地的能量來源集成到同一電力網(wǎng)格上，如何解決不同能量來源之間的波動（考慮到風力發(fā)電廠），如何更高效地傳送電力，如何確保電力供應(yīng)的高可靠性和高穩(wěn)定性，這些都是我們面臨的新挑戰(zhàn)。

這些挑戰(zhàn)推動著“智能電網(wǎng)”向前發(fā)展。智能電網(wǎng)將有助于實現(xiàn)可再生能源和傳統(tǒng)能源的高效集成，根據(jù)資源的可用性和用戶的需求來管理電力分配。同大多數(shù)即將出現(xiàn)的新型節(jié)能技術(shù)一樣，智能電網(wǎng)的發(fā)展將由功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的進步所推動，特別是功率電子器件的進步。其結(jié)果將是，能源供應(yīng)的效率和可靠性提高，而能源消耗反而降低。

除了改變行為以及提倡在住宅和辦公建筑中進行節(jié)能活動之外，一些新的技術(shù)解決方案，例如，基于傳感器的高效智能的ICT（信息與通信技術(shù)）系統(tǒng)、更高效的功率轉(zhuǎn)換以及固態(tài)照明，將會有助于減少能源消耗。

功率電子技術(shù)的角色
用于產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換能量的功率電子技術(shù)覆蓋了ICT的供電、電機驅(qū)動，太陽能轉(zhuǎn)換器以及混合動力電動車輛等大量應(yīng)用?，F(xiàn)在，超過60%的電能會流經(jīng)硅基器件。改善功率電子系統(tǒng)的性能似乎日益成為顯著降低電力消耗的關(guān)鍵因素。

必須開發(fā)出能夠在高電壓、高電流密度和高溫條件下工作的更高效、更快且更可靠的固態(tài)器件。對于半導體開發(fā)人員來說，這是非常具有挑戰(zhàn)性的。功率電子器件正在接近硅材料的固有極限。

能源產(chǎn)生器件的進一步創(chuàng)新和改善將需要使用寬帶隙半導體，后者能夠用于生產(chǎn)具有較高擊穿電壓的器件。其中，最好的備選材料似乎是III族氮化物寬帶隙材料，因為它們同時具備高電壓和高電子速度，從而顯著降低了在高壓下的開關(guān)和傳導損耗。

這些寬帶隙半導體將成為更新、更清潔技術(shù)的基礎(chǔ)，例如，在混合動力汽車行業(yè)或太陽能轉(zhuǎn)換器中。的確，盡管它們僅僅代表了整個半導體市場大約10%的份額，但是功率電子行業(yè)的復合增長率（>11%）要高于整個半導體行業(yè)（大約7%）。

但是，當新型功率電子技術(shù)的成本與現(xiàn)有解決方案不相上下時，它只能作為現(xiàn)有技術(shù)的替代者或新技術(shù)的催生者來被市場接受。因此，最為重要的是找到能夠提供性能和成本最佳結(jié)合點的材料和工藝。氮化鎵（GaN）被證明就是這樣的一種材料（如圖1所示）。

圖1 IMEC的SiN-AlGaN-GaN雙異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管具有高達1000V的擊穿電壓

在IMEC，我們曾對擊穿電壓超過1000V的硅基GaN開關(guān)器件進行了演示，其傳導損耗要比現(xiàn)有最好的Si基功率電子器件低一個數(shù)量級。更高的開關(guān)頻率還允許我們顯著地減小功率轉(zhuǎn)換器的尺寸，為功率電子的更高密度集成開啟了非常有趣的前景。另外，GaN具有非常有前途的低功耗前景。

現(xiàn)在，GaN等寬帶隙半導體是通過在昂貴的小直徑襯底（例如，藍寶石和SiC）上外延生長得到的。使用Si作為III族氮化物元件的襯底不僅更便宜，而且具有通過增加晶圓直徑來降低成本的良好前景。

3族氮化物是目前唯一能夠在直徑6英寸的晶圓上生長的寬帶隙半導體，非常有可能在短期內(nèi)用于更大的晶圓直徑。有人曾在200mm硅晶圓上生長過GaN。

最后一點也不容忽視：如果能夠開發(fā)出與硅工藝流程兼容的工藝，那么也可以通過利用硅基技術(shù)的經(jīng)濟規(guī)模優(yōu)勢來降低硅基GaN的成本。這些正是IMEC對硅基GaN技術(shù)研究的關(guān)鍵推動力。

此外，最近IMEC基于雙異質(zhì)結(jié)FET結(jié)構(gòu)的生長，將高擊穿電壓和低導通電阻結(jié)合在一起并實現(xiàn)了器件的E-模式運轉(zhuǎn)。為了安全起見，應(yīng)用通常需要E-模式運轉(zhuǎn)。這些成果使得IMEC極有可能在硅基GaN功率器件市場上獲得巨大機遇。