最新估計表明，到2050年我們所需要的能源可能會(huì )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(kāi)始加速尋找環(huán)境友好型、可持續發(fā)展的新能源。

　　國際能源機構（IEA）稱(chēng)，他們的路線(xiàn)是正確的，而最重要的是科技創(chuàng )新?，F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。但是分析家預計該領(lǐng)域在未來(lái)的20?30年中將會(huì )出現真正的投資激增。

　　轉變正在進(jìn)行

　　在20世紀，當礦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)濟特點(diǎn)是大量的人工勞動(dòng)、大型工廠(chǎng)以及物質(zhì)資料的生產(chǎn)。那時(shí)我們認為世界上的資源好像是無(wú)限的?，F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而投向對環(huán)境更加友好的方法。

　　現在，技術(shù)創(chuàng )新推動(dòng)著(zhù)我們的經(jīng)濟發(fā)展，通過(guò)服務(wù)和內容等非物質(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的關(guān)鍵，解決這項挑戰的唯一途徑便是大規模開(kāi)發(fā)利用可再生能源，并以一切可以想到的方式來(lái)節省能源。

　　電子行業(yè)在這項轉變中將承擔重要的角色。用于產(chǎn)生可再生能源的技術(shù)，例如光伏系統、非糧食型生物燃料、風(fēng)能以及混合動(dòng)力汽車(chē)，得到了著(zhù)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 )給現有的電力網(wǎng)絡(luò )基礎設施帶來(lái)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(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(chǎng)），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(dòng)著(zhù)“智能電網(wǎng)”向前發(fā)展。智能電網(wǎng)將有助于實(shí)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(hù)的需求來(lái)管理電力分配。同大多數即將出現的新型節能技術(shù)一樣，智能電網(wǎng)的發(fā)展將由功率轉換系統的進(jìn)步所推動(dòng)，特別是功率電子器件的進(jìn)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(jìn)行節能活動(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、更高效的功率轉換以及固態(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)生和轉換能量的功率電子技術(shù)覆蓋了ICT的供電、電機驅動(dòng)，太陽(yáng)能轉換器以及混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛等大量應用?，F在，超過(guò)60%的電能會(huì )流經(jīng)硅基器件。改善功率電子系統的性能似乎日益成為顯著(zhù)降低電力消耗的關(guān)鍵因素。

　　必須開(kāi)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。對于半導體開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，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(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，因為它們同時(shí)具備高電壓和高電子速度，從而顯著(zhù)降低了在高壓下的開(kāi)關(guān)和傳導損耗。

　　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。