新一代功率半导体是多个领域节能关键

飞扬紫百合

最近几年，在半导体之中，原本在人们眼中“不出彩”的功率半导体成为了关注的焦点。

　　功率半导体的作用是转换直流与交流、通过变压等方式高效控制电力，用于充电装置和马达。如今，这种半导体已配备于家电、汽车、工业机械、铁路车辆、输配电装置、光伏和风电系统等，掌握着节能的关键。

　　三菱电机半导体器件第一事业部营业战略课长山田正典说“用人体打比方的话，个人店的CPU（中央运算处理装置）和存储器是控制运算和记忆的大脑，而功率半导体则相当于肌肉。”

　　因新兴市场国家电力需求增加而受到关注

　　技术信息供应商美国IHSGlobal预测称，功率半导体市场将稳定发展。全球市场规模预计在2017年，将从2012年的114亿美元扩大到141亿美元。其中，新兴市场国家的电力需求增加尤为明显。

　　美国IHSGlobal日本事务所代表南川明说“以新兴市场国家为中心，中产阶级正在增加，耗电量越来越大。在2020年，很有可能出现电力供求紧张，发生全球性电力危机。”

　　有数据显示，工业机械和家电等的马达所使用的电力占到了全球耗电量的55%，欧洲和中国已经公布了关于马达效率的节能标准。

　　通过使用精密控制马达转数的逆变器，可以使耗电量减少了4成左右。日本的工业用和家用空调基本全部配备了逆变器，但从世界范围来看，普及率只有区区2成。而逆变器的核心部件就是功率半导体。

　　功率半导体之所以受到关注，原因并不只是全球电力需求的增加，还有一个重要因素是最近3年——4年来，新材料接连投入了实用。

　　传统半导体的主要材料是硅。而如今作为新一代功率半导体材料，碳化硅（SIC）和氮化镓（GaN）备受期待。如果日本国内的功率半导体全部从硅换成碳化硅，按照原油换算，到2020年可节约能源724万kL。节约的电能相当于7——8座核电站的发电量。

　　技术与经验的结晶

　　从功率半导体的全球份额来看，三菱电机、东芝、瑞萨电子、富士电机等日本企业名列前茅。美国OHSGlobal日本事务所代表南川说“功率半导体领域比的是技术积累，要涉足该领域绝非易事。日本企业荣誉发挥出优势。”

　　在以MCU和存储器等为代表的IC（集成电路）中，微小的电流沿水平方向在晶圆表面高速流动。而功率半导体则是在背面设置电极，沿垂直方向通入大电流。这需要高超的背面加工技术，因而抬高了涉足的门槛。

　　而且，功率半导体的用途也成为了一道难关。IC主要应用于个人电脑、电视等消费类产品，容易实现同质化（通用品）、低价格化。而功率半导体大多用于公益，需要按照用途和客户的要求精雕细琢。因此不容易卷入价格竞争。

　　功率半导体保护整流二极管、功率晶体管、晶闸管。

　　其中，功率晶体管具有“放大”和“开关”的作用。放大是指低频功率变为高频功率，开关是指切换电路的开与关。

　　充分利用放大作用，就可以使用小功率驱动马达。切换电路开与关的开关速度越快，越能实现精密控制。

　　功率晶体管还可以进一步分成三个种类。

　　首先，双晶体管是由3个端子组成的半导体，利用输入电流控制扩大和开关。虽然放大率高，适合处理较大电流，但也存在开关速度慢的缺点。

　　其次，功率MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是利用输入电压控制动作。耗电量较小，能够实现高速开关。但处理大电流时损耗大。

　　最后是IGBT（绝缘栅双极晶体管），在一个半导体元件（芯片）上集成双极晶体管和MOSFET而构成。不仅耗电量小，能够处理大电流。而且可以实现高速开关。

　　通过大型化降低成本

　　用来提高功率半导体能源利用效率的是使用新材料的新一代产品。其中有望成为主流的是使用碳化硅的产品。与硅相比，碳化硅能够耐受大电压、大电流，大幅削减工作时以热量形式散发的功率损耗。与硅制产品相比，理论上可减少70%的功率损耗。

　　三菱电机从1990年代开始研发SiC功率半导体。2010年，该公司使用SiC功率半导体，在全球率先上市了变频空调。2012年，东京地铁银座线的部分车辆也采用了该公司的产品。与过去相比，车辆系统节能高达38.6%。

　　现在，阻碍普及的因素在于成本。碳化硅结晶需要的时间长，价格是硅的几倍甚至十几倍。而且晶圆不易大型化。

　　2013年10月，三菱电机开发出了世界上最大的使用碳化硅的功率MOSFET，尺寸为1cm见方。面积是过去的5mm见方的4倍。通过大型化，配备芯片的数量减少，从而可以降低成本。

　　作为功率半导体领域的后起之秀，罗姆也在1990年代着手开发碳化硅的产品，并以2009年收购了德国的碳化硅晶圆企业SiCystal，由此，建立起了从碳化硅晶圆到模块的一条龙开发、制造体制。

　　2013年。罗姆开始使用碳化硅量产大口径的6英寸晶圆。1枚晶圆可以切割的芯片数量是过去的两倍，提高了生产效率。该公司把功率半导体视为增长的动力之一。碳化硅则是功率半导体的核心。

　　与碳化硅同样被看好的还有氮化镓。氮化镓具备的有点可举：比硅更耐受高电压，可以缩短电极之间的距离；发热少，耗电量小；开关速度高压碳化硅。可以支持高频率，因此能够使周边部件小型化。但缺点是不支持大电流、大电压，只适用于家电等输出功率较低的电器。

　　功率半导体市场虽然前景光明，但估计今后竞争将激化。