新型功率半導體結構使可持續能源成為可能

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

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

轉變正在進行
在20世紀，當礦物燃料成為第一次工業革命推動力的時候，我們的經濟特點是大量的人工勞動、大型工廠以及物質資料的生產。那時我們認為世界上的資源好像是無限的。現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而投向對環境更加友好的方法。

現在，技術創新推動著我們的經濟發展，通過服務和內容等非物質資料來改善我們的生活質量。技術創新也將成為解決能源挑戰的關鍵，解決這項挑戰的唯一途徑便是大規模開發利用可再生能源，并以一切可以想到的方式來節省能源。

電子行業在這項轉變中將承擔重要的角色。用于產生可再生能源的技術，例如光伏系統、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注。

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

這些挑戰推動著“智能電網”向前發展。智能電網將有助于實現可再生能源和傳統能源的高效集成，根據資源的可用性和用戶的需求來管理電力分配。同大多數即將出現的新型節能技術一樣，智能電網的發展將由功率轉換系統的進步所推動，特別是功率電子器件的進步。其結果將是，能源供應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能活動之外，一些新的技術解決方案，例如，基于傳感器的高效智能的ICT（信息與通信技術）系統、更高效的功率轉換以及固態照明，將會有助于減少能源消耗。

功率電子技術的角色
用于產生和轉換能量的功率電子技術覆蓋了ICT的供電、電機驅動，太陽能轉換器以及混合動力電動車輛等大量應用。現在，超過60%的電能會流經硅基器件。改善功率電子系統的性能似乎日益成為顯著降低電力消耗的關鍵因素。

必須開發出能夠在高電壓、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器件。對于半導體開發人員來說，這是非常具有挑戰性的。功率電子器件正在接近硅材料的固有極限。

能源產生器件的進一步創新和改善將需要使用寬帶隙半導體，后者能夠用于生產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和傳導損耗。

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

但是，當新型功率電子技術的成本與現有解決方案不相上下時，它只能作為現有技術的替代者或新技術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雙異質結場效應晶體管具有高達1000V的擊穿電壓

在IMEC，我們曾對擊穿電壓超過1000V的硅基GaN開關器件進行了演示，其傳導損耗要比現有最好的Si基功率電子器件低一個數量級。更高的開關頻率還允許我們顯著地減小功率轉換器的尺寸，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的經濟規模優勢來降低硅基GaN的成本。這些正是IMEC對硅基GaN技術研究的關鍵推動力。

此外，最近IMEC基于雙異質結FET結構的生長，將高擊穿電壓和低導通電阻結合在一起并實現了器件的E-模式運轉。為了安全起見，應用通常需要E-模式運轉。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。