節(jié)能省電，下一代功率半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢(shì) - 全文

　　變頻器（Inverter）或是轉(zhuǎn)換器（Converter）等電力轉(zhuǎn)換裝置，皆使用了功率半導(dǎo)體元件。在現(xiàn)今的市場(chǎng)上，使用SiC、GaN的下一代產(chǎn)品特別引人注目。政府民間同心致力于開(kāi)發(fā)的日本，正在成為開(kāi)拓新市場(chǎng)的世界先驅(qū)。

　　2012年8月30日，昭和電工宣布其功率半導(dǎo)體元件的4吋SiC磊晶晶圓（epitaxial wafer）之生產(chǎn)能力已增加到目前的2.5倍。

　　看見(jiàn)市場(chǎng)的成長(zhǎng)

　　使用SiC（碳化硅）的功率半導(dǎo)體元件，對(duì)于諸如變頻器（Inverter）等電力轉(zhuǎn)換裝置的小型化和減少損失是很有效的方式；因此，裝置製造商對(duì)于推動(dòng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)一直很積極。此次，生產(chǎn)能力增加的塬因是，「家電產(chǎn)品等低電壓、低電流的應(yīng)用領(lǐng)域正在逐漸產(chǎn)生實(shí)際的需求；加上，鐵道車輛、工業(yè)設(shè)備等高電壓、大電流的開(kāi)發(fā)案件也逐漸在增加」等因素。SiC製的元件與相互競(jìng)爭(zhēng)的Si製產(chǎn)品相比較，其價(jià)格高昂而成為難以普及的瓶頸；如果增加了優(yōu)良品質(zhì)磊晶晶圓的供給量，元件成本就可望能降低（圖1）。

　　事實(shí)上，在從事SiC元件的開(kāi)發(fā)上，各企業(yè)的動(dòng)作都相當(dāng)活躍。在這領(lǐng)域中開(kāi)拓發(fā)展最為積極的羅姆（ROHM），于2012年3月召開(kāi)的說(shuō)明會(huì)上，發(fā)表了對(duì)于SiC業(yè)務(wù)相關(guān)的前景。根據(jù)該報(bào)告，2010年的銷售額也僅有17億日?qǐng)A，到了2011年倍增到35億日?qǐng)A，預(yù)計(jì)2012年將達(dá)到50億日?qǐng)A的規(guī)模。因此，發(fā)表2014年的目標(biāo)銷售額可以增長(zhǎng)到160億日?qǐng)A。

　　對(duì)于SiC元件展開(kāi)事業(yè)的廠商也有不少，例如叁菱電機(jī)、富士電機(jī)等；各個(gè)公司對(duì)于營(yíng)業(yè)額的預(yù)測(cè)抱持著謹(jǐn)慎的態(tài)度，對(duì)于數(shù)年后的目標(biāo)幾乎沒(méi)有表示具體的數(shù)字。在ROHM的發(fā)表中，的確表明了SiC元件在企業(yè)用戶中，從開(kāi)發(fā)階段過(guò)渡到實(shí)際需求的階段，正在穩(wěn)步推進(jìn)中。

　　應(yīng)用領(lǐng)域多樣化

　　應(yīng)用功率半導(dǎo)體元件的代表性產(chǎn)品就是變頻器。它是改變直流到交流的電力轉(zhuǎn)換裝置，使用交流馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)、就可以因應(yīng)負(fù)載來(lái)控制旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)能效果。

　　在日本，如空調(diào)和洗衣機(jī)等已經(jīng)率先採(cǎi)用。未來(lái)，若是也進(jìn)行導(dǎo)入到工業(yè)用馬達(dá)，那么，整體龐大的節(jié)能效果是可以期待的。因?yàn)橐话阏J(rèn)為，日本的電力消耗約60％是馬達(dá)所消耗掉的，其中變頻器的利用率也僅有約10％的程度（圖2）。

　　變頻器、轉(zhuǎn)換器（從交流轉(zhuǎn)換為直流）等電力轉(zhuǎn)換裝置，并不局限于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的用途，也能夠運(yùn)用在各種的應(yīng)用上。多數(shù)用于太陽(yáng)能電池、固定型蓄電池等直流裝置的智慧型電網(wǎng)（Smart Grid）等，從此就顯得更特別必要。而且，對(duì)于充電電池的直流升壓來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，是油電混合車（HEV）或電動(dòng)車（EV）的核心組件。還有，大量使用直流設(shè)備的云端資料中心（Data Center），對(duì)于小型化具有高效率的電力轉(zhuǎn)換裝置之需求也是非常強(qiáng)烈（圖3）。

　　成長(zhǎng)力道強(qiáng)的功率半導(dǎo)體市場(chǎng)

　　且來(lái)看看一般使用于電力轉(zhuǎn)換裝置的Si製功率半導(dǎo)體市場(chǎng)。2010年的全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模大約是25兆日?qǐng)A（以1美元等于80日?qǐng)A換算），其中功率半導(dǎo)體的代表性元件－功率MOSFET大約是5000億日?qǐng)A，IGBT則約2500億日?qǐng)A。金額數(shù)字目前尚且很小但是成長(zhǎng)力道卻不小，依據(jù)市調(diào)公司IHS iSuppli Japan的資料指出，到2015年，功率MOSFET大約是1兆日?qǐng)A，IGBT則是成長(zhǎng)到約4000億日?qǐng)A的規(guī)模；預(yù)估兩者合起來(lái)在5年之間完成接近一倍的成長(zhǎng)。

　　這個(gè)成長(zhǎng)的背景不單是先進(jìn)國(guó)家的節(jié)能風(fēng)潮，新興國(guó)家的經(jīng)濟(jì)快速成長(zhǎng)也是背后的要因。電力轉(zhuǎn)換裝置在社會(huì)的各種場(chǎng)合上逐漸登場(chǎng)而成為生活必需品、伴隨著人口多新興國(guó)家的現(xiàn)代化，大量的需求正在發(fā)生。

　　Si半導(dǎo)體無(wú)論在設(shè)計(jì)技術(shù)或是製造技術(shù)都已相當(dāng)成熟，低價(jià)就足以大量生產(chǎn)。它的另一面就是材料特性的起因而造成了性能上的界限，某些應(yīng)用根本無(wú)法使上力。而SiC、GaN等就超越了Si的性能界限，而開(kāi)拓出新的市場(chǎng)（圖4）。

　　官方民間都來(lái)開(kāi)拓新市場(chǎng)

　　拿SiC、GaN半導(dǎo)體基本特性的帶隙（band gap）與Si相比較，約是其3倍大；絕緣崩潰電場(chǎng)也是高一位數(shù)。高溫的環(huán)境也可以動(dòng)作，而流經(jīng)電流時(shí)的阻抗（導(dǎo)通電阻）也很??；換句話說(shuō)，可以製造出能量損失小的元件（圖5）。

　　在日本的京都大學(xué)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所很早就注意到這類的新材料、而進(jìn)行這方面的基礎(chǔ)研究與元件研究。還有公家研究機(jī)關(guān)與民間企業(yè)間的研究計(jì)畫(huà)也都在進(jìn)行中。在2010年，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省、內(nèi)閣府、產(chǎn)總研、NEDO等機(jī)關(guān)，啟動(dòng)了意識(shí)更為實(shí)用化的嶄新計(jì)畫(huà)，多數(shù)民間企業(yè)也參與了計(jì)畫(huà)。這些計(jì)畫(huà)有晶圓製造技術(shù)、元件技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、製造技術(shù)；為了涉及多樣化，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省于2010年謀求計(jì)畫(huà)之間的協(xié)力合作，而創(chuàng)建了「SiC聯(lián)盟」，讓整體運(yùn)作更有效率化。

　　這些研究計(jì)畫(huà)的成果慢慢地顯現(xiàn)出來(lái)，在這數(shù)年之間，一些公司已經(jīng)開(kāi)始向外界發(fā)表了新一代功率半導(dǎo)體相關(guān)的新產(chǎn)品和新技術(shù)。

　　實(shí)用化就從二極體開(kāi)始

　　SiC功率元件的開(kāi)發(fā)，分成二極體與電晶體兩個(gè)段階來(lái)進(jìn)行。二極體的構(gòu)造比較簡(jiǎn)單容易製造。最早的產(chǎn)品是德商Infineon Technologies于2001年所發(fā)表的?，F(xiàn)今，日本國(guó)內(nèi)有叁菱電機(jī)、ROHM等7家，包含海外的話計(jì)有超過(guò)10家公司進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)，銷售各式各樣的產(chǎn)品（表1）。

　　另一方面的電晶體，目前可以說(shuō)是尚未脫離開(kāi)發(fā)的階段。儘管也有廠商發(fā)表了商品化，用途卻是相當(dāng)局限。由于構(gòu)造上的復(fù)雜造成了生產(chǎn)上的困難、成本也跟著提高，這也是目前最大的課題。

　　一般來(lái)說(shuō)，Si半導(dǎo)體所做成變頻器的二極體部分利用SiC來(lái)替換，光是這部分的損失就可以減少15～30％。若是不單是二極體，電晶體也用SiC來(lái)替換的話，損失可以減少到50％以下。依據(jù)用途上的不同，某些場(chǎng)合還會(huì)有更顯著的效果。

　　例如，ROHM今年開(kāi)始生產(chǎn)的SiC製功率模組，無(wú)論是二極體還是電晶體皆是採(cǎi)用SiC的產(chǎn)品，若是與傳統(tǒng)的Si產(chǎn)品來(lái)做比較，電力損失約降低了85％（圖6）。

　　活躍的應(yīng)用研究

　　下一代功率半導(dǎo)體性能卓越、價(jià)格卻高。目前的實(shí)用化，以系統(tǒng)費(fèi)用高昂的大型機(jī)器來(lái)導(dǎo)入會(huì)比較容易。其中代表的範(fàn)例就是鐵路車輛。

　　叁菱電機(jī)利用了SiC製功率元件，將鐵路車輛用的變頻器裝置給商品化。具體來(lái)說(shuō)，就是東京地下鐵（東京Metro）銀座線搭載一部車輛，從2012年2月開(kāi)始實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行（圖7）。利用SiC製功率元件，針對(duì)鐵路用變頻器裝置的實(shí)用化，據(jù)叁菱電機(jī)表示這是「全球首次」。

　　其所利用的功率元件是SiC製二極體。若是與利用Si製二極體的情況來(lái)比較，鐵道車輛系統(tǒng)全體可以減低約30％的損失。而且，變頻器的體積與重量都可以減少約40％。此外，冷卻機(jī)構(gòu)部分的小型化也可以實(shí)現(xiàn)。

　　東芝也在進(jìn)行同樣的研究，使用SiC製二極體的變頻器裝置，其體積可以減低約60％，若與永磁式同步馬達(dá)來(lái)組合，約略可以獲得約20％的節(jié)能效果。東芝也在2012年中進(jìn)行搭載的實(shí)際鐵道車輛的試運(yùn)行。

　　汽車製造商也高度關(guān)注

　　豐田的油電混合車（HEV）之「Prius」，有一段有名的話語(yǔ)，它使用超過(guò)1張六吋晶圓的半導(dǎo)體元件數(shù)量。其中，多數(shù)的部分是由IGBT、功率MOSFET等功率元件所支配。對(duì)于汽車製造商來(lái)說(shuō)，HEV、EV等電動(dòng)車的比率正在提高中，由于下一代功率半導(dǎo)體之故，正在進(jìn)行零組件小型化與高效率化的檢討。

　　豐田汽車第3電子開(kāi)發(fā)部（當(dāng)時(shí)）的濱田公守于2012年1月所舉辦的研討會(huì)上，就描述了SiC製功率元件的優(yōu)點(diǎn)之一，即是功率模組的小型化。例如，在IPM（intelligent power module），依據(jù)試算的結(jié)果，採(cǎi)用了SiC製功率元件，其體積可以減小為2/3～1/3的程度。

　　日產(chǎn)汽車也試作了採(cǎi)用SiC二極體的變頻器電路，搭載在其「X-TRAIL FCV」燃料電池車，早在2008年進(jìn)行行駛的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，本田技術(shù)研究所也針對(duì)變頻器、轉(zhuǎn)換器所採(cǎi)用的二極體與電晶體，企圖從Si製全面轉(zhuǎn)換為SiC製，試作了「全部SiC」的高輸出功率模組。日產(chǎn)、本田技術(shù)研究所，是與ROHM共同研究的。

　　應(yīng)用領(lǐng)域無(wú)所不在

　　除了汽車業(yè)者之外，也有針對(duì)適用于EV的下一代功率半導(dǎo)體的研究。例如，馬達(dá)、變頻器的知名大廠─安川電機(jī)，也試作了利用SiC製功率元件的EV行駛系統(tǒng)，于2011年1月所舉辦的展示會(huì)上展出。而叁菱電機(jī)也在2012年3月發(fā)表了將SiC製變頻器與馬達(dá)一體化的EV用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（圖8）。

　　此外，叁菱電機(jī)、STMicroelectronics等公司也在研究太陽(yáng)能電池的電力調(diào)節(jié)器（power conditioner）及微型變頻器。全都是將太陽(yáng)能電池的直流輸出轉(zhuǎn)換為交流的裝置。若是利用SiC來(lái)替換Si製的功率元件，在電力變換時(shí)所產(chǎn)生的損失可以減少數(shù)％。由于這個(gè)數(shù)％直接關(guān)係到太陽(yáng)能電池的發(fā)電量，效果非?？捎^。

　　而最近受到注目的無(wú)線供電系統(tǒng)，也有採(cǎi)用SiC的案例。ROHM于2011年10月的展示會(huì)上展示了電場(chǎng)耦合式的50W無(wú)線供電裝置，其傳送端的變頻器就是採(cǎi)用了SiC製的晶體（MOSFET）。該變頻器的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95％。

　　改變之處還有音響系統(tǒng)的電源，也有採(cǎi)用SiC的案例。高級(jí)汽車音響製造商Bewith公司，于2011年12月的東京車展上，展示了與新日本無(wú)線所共同開(kāi)發(fā)，搭載了SiC二極體的功率放大器，有汽車上實(shí)際安裝的展示。由于SiC製的二極體反應(yīng)速度非?？欤冯S音量變化的負(fù)荷變動(dòng)相當(dāng)容易。同時(shí)，因?yàn)榻Y(jié)晶缺陷較少之故，可以抑制漏電流（leak current）；白噪音（white noise）也少。