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

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(chē)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(kāi)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(kāi)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(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(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(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(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(jiàn)，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。