新一代功率半导体成多个领域节能关键

       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。