新型功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)使可持續(xù)能源成為可能

最新估計(jì)表明，到2050年我們所需要的能源可能會(huì)達(dá)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(guó)際能源機(jī)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(yù)計(jì)該領(lǐng)域在未來(lái)的20?30年中將會(huì)出現(xiàn)真正的投資激增。

轉(zhuǎn)變正在進(jìn)行

在20世紀(jì)，當(dāng)?shù)V物燃料成為第一次工業(yè)革命推動(dòng)力的時(shí)候，我們的經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)是大量的人工勞動(dòng)、大型工廠以及物質(zhì)資料的生產(chǎn)。那時(shí)我們認(rèn)為世界上的資源好像是無(wú)限的?，F(xiàn)在我們遇到了資源枯竭、礦物燃料所帶來(lái)的限制以及氣候變化的問(wèn)題，這些問(wèn)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(dòng)著我們的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，通過(guò)服務(wù)和內(nèi)容等非物質(zhì)資料來(lái)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(xiàng)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(lái)節(jié)省能源。

電子行業(yè)在這項(xiàng)轉(zhuǎn)變中將承擔(dān)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(fēng)能以及混合動(dòng)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(guò)，引入可再生能源資源來(lái)發(fā)電會(huì)給現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)新的挑戰(zhàn)：

如何解決負(fù)載數(shù)量的增多，如何將各種非本地的能量來(lái)源集成到同一電力網(wǎng)格上，如何解決不同能量來(lái)源之間的波動(dòng)（考慮到風(fēng)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(dòng)著“智能電網(wǎng)”向前發(fā)展。智能電網(wǎng)將有助于實(shí)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(lái)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(jìn)步所推動(dòng)，特別是功率電子器件的進(jìn)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(jìn)行節(jié)能活動(dòng)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(huì)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(jī)驅(qū)動(dòng)，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器以及混合動(dòng)力電動(dòng)車輛等大量應(yīng)用?，F(xiàn)在，超過(guò)60%的電能會(huì)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(duì)于半導(dǎo)體開發(fā)人員來(lái)說(shuō)，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(jìn)一步創(chuàng)新和改善將需要使用寬帶隙半導(dǎo)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?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)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(dǎo)損耗。

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

但是，當(dāng)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(shí)，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(lái)被市場(chǎng)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(diǎn)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(chǎng)效應(yīng)晶體管具有高達(dá)1000V的擊穿電壓

在IMEC，我們?cè)鴮?duì)擊穿電壓超過(guò)1000V的硅基GaN開關(guān)器件進(jìn)行了演示，其傳導(dǎo)損耗要比現(xiàn)有最好的Si基功率電子器件低一個(gè)數(shù)量級(jí)。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(dǎo)體是通過(guò)在昂貴的小直徑襯底（例如，藍(lán)寶石和SiC）上外延生長(zhǎng)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(guò)增加晶圓直徑來(lái)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(zhǎng)的寬帶隙半導(dǎo)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(zhǎng)過(guò)GaN。

最后一點(diǎn)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(guò)利用硅基技術(shù)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模優(yōu)勢(shì)來(lái)降低硅基GaN的成本。這些正是IMEC對(duì)硅基GaN技術(shù)研究的關(guān)鍵推動(dòng)力。

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

發(fā)布者：博子