响应号召，发展宽带隙半导体

在2014年,美国能源部建立了一个项目，开发先进的宽带隙半导体制造方法，这使得电子元件比硅(Si)制造的半导体更小、更快、更高效。这个程序叫做PowerAmerica研究所该公司最近发布了一项呼吁，呼吁项目帮助降低制造成本，并增加电力电子领域中半导体的可用性。

与硅基半导体相比，WBG半导体的优势是显著的。该技术可用于设计功率电子器件，在更高的温度、更高的击穿电压和更低的频率下控制和转换电能。

由北卡罗来纳州立大学PowerAmerica作为学术机构、半导体公司和能源部之间的伙伴关系而成立。该公司于今年早些时候成立，并获得了1.46亿美元的合同。PowerAmerica与几家维护半导体代工厂的公司合作，包括APEI Inc.、Cree Inc.、Monolith semiconductor和Qorvo等。

两种主要的WBG半导体有望取代硅基mosfet(大多数电力电子系统的基础)，它们是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)。法国研究公司Yole Developpement估计，用SiC或GaN组件替代硅可以将dc-dc转换效率从85%提高到95%;交直流转换效率85% ~ 90%;并且直流-交流转换的效率从96%到99%。

尽管这两种技术具有显著的优势，但SiC和GaN工艺技术都存在关键的制造问题。例如，氮化镓半导体热导率低，而且极易产生缺陷。另一方面，SiC晶圆价格昂贵，电子迁移率低。

PowerAmerica也被称为下一代电力电子制造创新研究所，它正在推动能够显著降低成本和增加GaN和SiC铸造厂产能的项目。此外，PowerAmerica还在寻求开发新的设备设计和包装，以有效地利用宽带隙材料的特性，帮助推动它们进入批量生产。

对项目的呼吁还集中在将这项技术过滤到商业市场上。根据能源部的统计数据，到2030年，电力电子在美国电力中所占的份额预计将达到80%左右。举例来说，美国能源部预计，电动汽车将在工业电机系统中迅速应用，目前，工业电机系统消耗的电力约占美国制造业用电的70%。

PowerAmerica还在寻找一些项目，以推进WBG半导体在大型数据中心、电动汽车中的使用，以及将可再生能源转化为电网。美国能源部表示，这些WBG材料的更高转换效率和更高的工作温度将减少这些应用中使用的冷却系统的尺寸。

GaN半导体技术不如SiC技术成熟，但仍在稳步发展。它们在低功率、高频率的应用中得到了越来越多的商业应用，包括微波、射频放大器和晶体管。相反，SiC正被用于固态照明和开关应用的高压器件。

然而，基于硅的电力电子设备不会不战而降。硅基mosfet主要用于10- 500伏特器件，在低功耗应用中仍然是一个具有成本效益的选择。在600伏特和1200伏特范围内，WBG半导体有潜力产生重大影响，但成本仍然是一个问题。高压硅基器件——超结mosfet和igbt——正在增加到300mm晶圆上，这使得它们可能比GaN和SiC更便宜。

PowerAmerica正在采取一种长期的方法来推进WBG半导体的发展，他们承认，替换一代又一代基于si的设备将需要大量的时间。因此，世行对项目的呼吁也将重点放在开发世行集团半导体领域的教育项目和劳动力发展上。今年早些时候，北卡罗来纳州立大学开设了WBG半导体的本科和研究生研究项目。就其本身而言，能源部已经通过几个研究生机构建立了一个培训计划的动力工程，其主要重点是WBG半导体。

“[Power America]是[学生]进入一个新的技术领域的绝佳机会，但我们不应该只是说它只是WBG半导体，”北卡罗来纳州电力半导体研究中心主任Jayant Baliga说。“围绕WBG技术有一个完整的技术生态系统。”