新型功率半導體結構使可持續能源成為可能

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

但是，當新型功率電子技術(shù)的成本與現有解決方案不相上下時(shí)，它只能作為現有技術(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)結場(chǎng)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(guò)1000V的硅基GaN開(kāi)關(guān)器件進(jìn)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(gè)數量級。更高的開(kāi)關(guān)頻率還允許我們顯著(zhù)地減小功率轉換器的尺寸，為功率電子的更高密度集成開(kāi)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(guò)在昂貴的小直徑襯底（例如，藍寶石和SiC）上外延生長(cháng)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(cháng)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(cháng)過(guò)GaN。

最后一點(diǎn)也不容忽視：如果能夠開(kāi)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)濟規模優(yōu)勢來(lái)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(dòng)力。

此外，最近IMEC基于雙異質(zhì)結FET結構的生長(cháng)，將高擊穿電壓和低導通電阻結合在一起并實(shí)現了器件的E-模式運轉。為了安全起見(jiàn)，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(chǎng)上獲得巨大機遇。