新型功率半导体结构使可持续能源成为可能

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        最新估计表明,到2050年我们所需要的能源可能会达到现有能源的两倍。矿物燃料的有害影响和隐约出现的短缺促使人们最近开始加速寻找环境友好型、可持续发展的新能源。

  国际能源机构(IEA)称,他们的路线是正确的,而最重要的是科技创新。现在清洁能源领域已经吸引了大量的投资,例如,可再生能源、高能源效率和低污染技术等。但是分析家预计该领域在未来的20?30年中将会出现真正的投资激增。

  转变正在进行

  在20世纪,当矿物燃料成为第一次工业革命推动力的时候,我们的经济特点是大量的人工劳动、大型工厂以及物质资料的生产。那时我们认为世界上的资源好像是无限的。现在我们遇到了资源枯竭、矿物燃料所带来的限制以及气候变化的问题,这些问题使我们不得不重新考虑我们的能源消耗并转而投向对环境更加友好的方法。

  现在,技术创新推动着我们的经济发展,通过服务和内容等非物质资料来改善我们的生活质量。技术创新也将成为解决能源挑战的关键,解决这项挑战的唯一途径便是大规模开发利用可再生能源,并以一切可以想到的方式来节省能源。

  电子行业在这项转变中将承担重要的角色。用于产生可再生能源的技术,例如光伏系统、非粮食型生物燃料、风能以及混合动力汽车,得到了著名芯片公司的关注。

  技术解决方案

  不过,引入可再生能源资源来发电会给现有的电力网络基础设施带来新的挑战:

  如何解决负载数量的增多,如何将各种非本地的能量来源集成到同一电力网格上,如何解决不同能量来源之间的波动(考虑到风力发电厂),如何更高效地传送电力,如何确保电力供应的高可靠性和高稳定性,这些都是我们面临的新挑战。

  这些挑战推动着“智能电网”向前发展。智能电网将有助于实现可再生能源和传统能源的高效集成,根据资源的可用性和用户的需求来管理电力分配。同大多数即将出现的新型节能技术一样,智能电网的发展将由功率转换系统的进步所推动,特别是功率电子器件的进步。其结果将是,能源供应的效率和可靠性提高,而能源消耗反而降低。

  除了改变行为以及提倡在住宅和办公建筑中进行节能活动之外,一些新的技术解决方案,例如,基于传感器的高效智能的ICT(信息与通信技术)系统、更高效的功率转换以及固态照明,将会有助于减少能源消耗。

  功率电子技术的角色

  用于产生和转换能量的功率电子技术覆盖了ICT的供电、电机驱动,太阳能转换器以及混合动力电动车辆等大量应用。现在,超过60%的电能会流经硅基器件。改善功率电子系统的性能似乎日益成为显著降低电力消耗的关键因素。

  必须开发出能够在高电压、高电流密度和高温条件下工作的更高效、更快且更可靠的固态器件。对于半导体开发人员来说,这是非常具有挑战性的。功率电子器件正在接近硅材料的固有极限。

  能源产生器件的进一步创新和改善将需要使用宽带隙半导体,后者能够用于生产具有较高击穿电压的器件。其中,最好的备选材料似乎是III族氮化物宽带隙材料,因为它们同时具备高电压和高电子速度,从而显著降低了在高压下的开关和传导损耗。

  这些宽带隙半导体将成为更新、更清洁技术的基础,例如,在混合动力汽车行业或太阳能转换器中。的确,尽管它们仅仅代表了整个半导体市场大约10%的份额,但是功率电子行业的复合增长率(>11%)要高于整个半导体行业(大约7%)。

  但是,当新型功率电子技术的成本与现有解决方案不相上下时,它只能作为现有技术的替代者或新技术的催生者来被市场接受。因此,最为重要的是找到能够提供性能和成本最佳结合点的材料和工艺。氮化镓(GaN)被证明就是这样的一种材料(如图1所示)。


  在IMEC,我们曾对击穿电压超过1000V的硅基GaN开关器件进行了演示,其传导损耗要比现有最好的Si基功率电子器件低一个数量级。更高的开关频率还允许我们显著地减小功率转换器的尺寸,为功率电子的更高密度集成开启了非常有趣的前景。另外,GaN具有非常有前途的低功耗前景。

  现在,GaN等宽带隙半导体是通过在昂贵的小直径衬底(例如,蓝宝石和SiC)上外延生长得到的。使用Si作为III族氮化物元件的衬底不仅更便宜,而且具有通过增加晶圆直径来降低成本的良好前景。

  3族氮化物是目前唯一能够在直径6英寸的晶圆上生长的宽带隙半导体,非常有可能在短期内用于更大的晶圆直径。有人曾在200mm硅晶圆上生长过GaN。

  最后一点也不容忽视:如果能够开发出与硅工艺流程兼容的工艺,那么也可以通过利用硅基技术的经济规模优势来降低硅基GaN的成本。这些正是IMEC对硅基GaN技术研究的关键推动力。

  此外,最近IMEC基于双异质结FET结构的生长,将高击穿电压和低导通电阻结合在一起并实现了器件的E-模式运转。为了安全起见,应用通常需要E-模式运转。这些成果使得IMEC极有可能在硅基GaN功率器件市场上获得巨大机遇。
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