节能省电，下一代功率半导体的发展趋势 - 全文

　　变频器（Inverter）或是转换器（Converter）等电力转换装置，皆使用了功率半导体元件。在现今的市场上，使用SiC、GaN的下一代产品特别引人注目。政府民间同心致力于开发的日本，正在成为开拓新市场的世界先驱。

　　2012年8月30日，昭和电工宣布其功率半导体元件的4吋SiC磊晶晶圆（epitaxial wafer）之生产能力已增加到目前的2.5倍。

　　看见市场的成长

　　使用SiC（碳化硅）的功率半导体元件，对于诸如变频器（Inverter）等电力转换装置的小型化和减少损失是很有效的方式；因此，装置製造商对于推动产品的开发一直很积极。此次，生产能力增加的塬因是，「家电产品等低电压、低电流的应用领域正在逐渐产生实际的需求；加上，铁道车辆、工业设备等高电压、大电流的开发案件也逐渐在增加」等因素。SiC製的元件与相互竞争的Si製产品相比较，其价格高昂而成为难以普及的瓶颈；如果增加了优良品质磊晶晶圆的供给量，元件成本就可望能降低（图1）。

　　

　　事实上，在从事SiC元件的开发上，各企业的动作都相当活跃。在这领域中开拓发展最为积极的罗姆（ROHM），于2012年3月召开的说明会上，发表了对于SiC业务相关的前景。根据该报告，2010年的销售额也仅有17亿日圆，到了2011年倍增到35亿日圆，预计2012年将达到50亿日圆的规模。因此，发表2014年的目标销售额可以增长到160亿日圆。

　　对于SiC元件展开事业的厂商也有不少，例如叁菱电机、富士电机等；各个公司对于营业额的预测抱持着谨慎的态度，对于数年后的目标几乎没有表示具体的数字。在ROHM的发表中，的确表明了SiC元件在企业用户中，从开发阶段过渡到实际需求的阶段，正在稳步推进中。

　　应用领域多样化

　　应用功率半导体元件的代表性产品就是变频器。它是改变直流到交流的电力转换装置，使用交流马达来驱动、就可以因应负载来控制旋转速度，进而实现了显着的节能效果。

　　在日本，如空调和洗衣机等已经率先採用。未来，若是也进行导入到工业用马达，那么，整体庞大的节能效果是可以期待的。因为一般认为，日本的电力消耗约60％是马达所消耗掉的，其中变频器的利用率也仅有约10％的程度（图2）。

　　

　　变频器、转换器（从交流转换为直流）等电力转换装置，并不局限于马达驱动的用途，也能够运用在各种的应用上。多数用于太阳能电池、固定型蓄电池等直流装置的智慧型电网（Smart Grid）等，从此就显得更特别必要。而且，对于充电电池的直流升压来驱动马达，是油电混合车（HEV）或电动车（EV）的核心组件。还有，大量使用直流设备的云端资料中心（Data Center），对于小型化具有高效率的电力转换装置之需求也是非常强烈（图3）。

　　

　　成长力道强的功率半导体市场

　　且来看看一般使用于电力转换装置的Si製功率半导体市场。2010年的全球半导体市场规模大约是25兆日圆（以1美元等于80日圆换算），其中功率半导体的代表性元件－功率MOSFET大约是5000亿日圆，IGBT则约2500亿日圆。金额数字目前尚且很小但是成长力道却不小，依据市调公司IHS iSuppli Japan的资料指出，到2015年，功率MOSFET大约是1兆日圆，IGBT则是成长到约4000亿日圆的规模；预估两者合起来在5年之间完成接近一倍的成长。

　　这个成长的背景不单是先进国家的节能风潮，新兴国家的经济快速成长也是背后的要因。电力转换装置在社会的各种场合上逐渐登场而成为生活必需品、伴随着人口多新兴国家的现代化，大量的需求正在发生。

　　Si半导体无论在设计技术或是製造技术都已相当成熟，低价就足以大量生产。它的另一面就是材料特性的起因而造成了性能上的界限，某些应用根本无法使上力。而SiC、GaN等就超越了Si的性能界限，而开拓出新的市场（图4）。

　　

　　官方民间都来开拓新市场

　　拿SiC、GaN半导体基本特性的带隙（band gap）与Si相比较，约是其3倍大；绝缘崩溃电场也是高一位数。高温的环境也可以动作，而流经电流时的阻抗（导通电阻）也很小；换句话说，可以製造出能量损失小的元件（图5）。

　　在日本的京都大学与产业技术综合研究所很早就注意到这类的新材料、而进行这方面的基础研究与元件研究。还有公家研究机关与民间企业间的研究计画也都在进行中。在2010年，日本经济产业省、内阁府、产总研、NEDO等机关，启动了意识更为实用化的崭新计画，多数民间企业也参与了计画。这些计画有晶圆製造技术、元件技术、系统技术、製造技术；为了涉及多样化，日本经济产业省于2010年谋求计画之间的协力合作，而创建了「SiC联盟」，让整体运作更有效率化。

　　这些研究计画的成果慢慢地显现出来，在这数年之间，一些公司已经开始向外界发表了新一代功率半导体相关的新产品和新技术。

　　实用化就从二极体开始

　　SiC功率元件的开发，分成二极体与电晶体两个段阶来进行。二极体的构造比较简单容易製造。最早的产品是德商Infineon Technologies于2001年所发表的。现今，日本国内有叁菱电机、ROHM等7家，包含海外的话计有超过10家公司进入这个市场，销售各式各样的产品（表1）。

　　另一方面的电晶体，目前可以说是尚未脱离开发的阶段。儘管也有厂商发表了商品化，用途却是相当局限。由于构造上的复杂造成了生产上的困难、成本也跟着提高，这也是目前最大的课题。

　　一般来说，Si半导体所做成变频器的二极体部分利用SiC来替换，光是这部分的损失就可以减少15～30％。若是不单是二极体，电晶体也用SiC来替换的话，损失可以减少到50％以下。依据用途上的不同，某些场合还会有更显着的效果。

　　例如，ROHM今年开始生产的SiC製功率模组，无论是二极体还是电晶体皆是採用SiC的产品，若是与传统的Si产品来做比较，电力损失约降低了85％（图6）。

　　

　　活跃的应用研究

　　下一代功率半导体性能卓越、价格却高。目前的实用化，以系统费用高昂的大型机器来导入会比较容易。其中代表的範例就是铁路车辆。

　　叁菱电机利用了SiC製功率元件，将铁路车辆用的变频器装置给商品化。具体来说，就是东京地下铁（东京Metro）银座线搭载一部车辆，从2012年2月开始实验的运行（图7）。利用SiC製功率元件，针对铁路用变频器装置的实用化，据叁菱电机表示这是「全球首次」。

　　

　　其所利用的功率元件是SiC製二极体。若是与利用Si製二极体的情况来比较，铁道车辆系统全体可以减低约30％的损失。而且，变频器的体积与重量都可以减少约40％。此外，冷却机构部分的小型化也可以实现。

　　东芝也在进行同样的研究，使用SiC製二极体的变频器装置，其体积可以减低约60％，若与永磁式同步马达来组合，约略可以获得约20％的节能效果。东芝也在2012年中进行搭载的实际铁道车辆的试运行。

　　汽车製造商也高度关注

　　丰田的油电混合车（HEV）之「Prius」，有一段有名的话语，它使用超过1张六吋晶圆的半导体元件数量。其中，多数的部分是由IGBT、功率MOSFET等功率元件所支配。对于汽车製造商来说，HEV、EV等电动车的比率正在提高中，由于下一代功率半导体之故，正在进行零组件小型化与高效率化的检讨。

　　丰田汽车第3电子开发部（当时）的滨田公守于2012年1月所举办的研讨会上，就描述了SiC製功率元件的优点之一，即是功率模组的小型化。例如，在IPM（intelligent power module），依据试算的结果，採用了SiC製功率元件，其体积可以减小为2/3～1/3的程度。

　　日产汽车也试作了採用SiC二极体的变频器电路，搭载在其「X-TRAIL FCV」燃料电池车，早在2008年进行行驶的实验。同时，本田技术研究所也针对变频器、转换器所採用的二极体与电晶体，企图从Si製全面转换为SiC製，试作了「全部SiC」的高输出功率模组。日产、本田技术研究所，是与ROHM共同研究的。

　　应用领域无所不在

　　除了汽车业者之外，也有针对适用于EV的下一代功率半导体的研究。例如，马达、变频器的知名大厂─安川电机，也试作了利用SiC製功率元件的EV行驶系统，于2011年1月所举办的展示会上展出。而叁菱电机也在2012年3月发表了将SiC製变频器与马达一体化的EV用驱动系统（图8）。

　　

　　此外，叁菱电机、STMicroelectronics等公司也在研究太阳能电池的电力调节器（power conditioner）及微型变频器。全都是将太阳能电池的直流输出转换为交流的装置。若是利用SiC来替换Si製的功率元件，在电力变换时所产生的损失可以减少数％。由于这个数％直接关係到太阳能电池的发电量，效果非常可观。

　　而最近受到注目的无线供电系统，也有採用SiC的案例。ROHM于2011年10月的展示会上展示了电场耦合式的50W无线供电装置，其传送端的变频器就是採用了SiC製的晶体（MOSFET）。该变频器的转换效率高达95％。

　　改变之处还有音响系统的电源，也有採用SiC的案例。高级汽车音响製造商Bewith公司，于2011年12月的东京车展上，展示了与新日本无线所共同开发，搭载了SiC二极体的功率放大器，有汽车上实际安装的展示。由于SiC製的二极体反应速度非常快，追随音量变化的负荷变动相当容易。同时，因为结晶缺陷较少之故，可以抑制漏电流（leak current）；白噪音（white noise）也少。