随着2008年原油价格高涨，开发节能产品与新能源产品的时机在全球范围内日趋成熟，并且开发目标转向CO2减排及不使用石化燃料。由此，取代汽油车的电动汽车（EV）被全力推进。此外，利用太阳能及风力等自然能源的技术也被视为节能社会的关键技术，以美国为首的发达国家正积极推行“绿色新政”（Green New Deal）。发展新能源产业的另一个目的是提供新的就业机会，例如可在美国提供500万个，在中国提供1000万个，在德国提供200万个新就业岗位。
图1：2008年功率管理用半导体的市场规模
2008年的市场规模为265亿美元。数据由Isuppli Japan提供。
此前，大多数电子产品的发展趋势一直是以消耗更多的电力来实现高性能及多功能。功率半导体在个人电脑（PC）、手机及AV设备等配备的半导体中所占的比例最多只有10％。而在能源产业设备使用的半导体中，功率半导体所占的比例往往会超过50％。可以说，此前在电子设备中作为常识配备的半导体元件已开始急剧发生变化。
本文将广义的功率半导体定义为功率管理半导体。除了IGBT（insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极晶体管）、MOSFET、功率双极晶体管（PBT）及功率二极管等分立功率半导体之外，功率管理半导体还包括线性稳压器与开关稳压器等的电源电路，以及用于控制这些电源电路的功率管理用逻辑LSI等。
图2：全球空调消费量与逆变器比例
日本为空调配备逆变器的比例是100％，而欧美及中国今后才会全面普及带逆变器的空调。由iSuppli Japan根据各种资料制图。
2008年，功率管理半导体的市场规模达到了265亿美元（图1）。预计2013年将达到368亿美元。其中，MOSFET与IGBT在2008年分别达到了52亿美元与21亿美元，估计2013年将增至86亿美元和27亿美元。
功率半导体应用产品的动向
功率半导体被广泛应用于家电、计算机、汽车及铁路等领域的多种设备。由于这些应用设备有望扩大普及，而且这些设备配备功率半导体的比例也会上升，因此功率半导体市场今后有望稳步增长。
大多数家电都配备有将直流电转换为交流电的逆变器，逆变器中一定会使用功率半导体。比如，空调通过控制嵌入压缩机（Compressor）的交流马达的转速来调节温度，为了控制马达的转速，需要将频率固定为50Hz或者60Hz的家用商用电力转换为任意频率。利用逆变器将其转换为任意频率，才能实现精确的温度调节及节能。另外，空调是家庭的主要能耗产品之一，从这一意义上来说，空调配备逆变器之后，有望获得较大的节能效果及CO2减排效果。不过，虽然为空调配备逆变器在日本已十分普通，但在欧美及中国，配备逆变器的空调今后才会全面普及（图2）。
使用功率半导体的逆变器是进行精确的频率控制所不可缺少的器件，不仅是空调，目前还被应用于洗衣机、荧光灯及IH（induction heating）烹调器等。用于洗衣机时，可根据衣物的种类及脏污程度控制洗涤桶的运动方式，也可实现节能。用于荧光灯时，通过向荧光管供应数十kHz的高频电力，可减少荧光灯的闪烁现象，同时提高发光效率并实现调光。为了将商用频率的电力转换为高频电力，IH烹调器也配备了逆变器。
此外，还有很多家电需要使用直流电，这些家电采用了将商用交流电转换为直流电的整流电路（AC-DC转换器），以及为家电配备的各种电子部件提供适当电压及电流的稳压器（DC-DC转换器）等。
图3：中低耐压MOSFET市场预测
用于计算机的数量最多。其次为消费电子产品及通信设备用途。数据由iSuppli Japan提供。
计算机方面，逆变器与充电电池配套使用在不间断电源上。不间断电源被用于计算机及基础设施装置等不允许电压变动或断路的设备。另外，汽车也是一个较多使用功率半导体的应用领域。
现在的汽车为了实现发动机输出功率的最佳控制，以电子方式控制燃料供应、吸气系统、阀门的开闭以及点火时间等，并利用功率半导体控制上述部件的驱动马达及致动器。另外，汽车还使用功率半导体来控制电动车窗及各种车载电子设备。而且，逆变器已被用于混合动力车及电动汽车的马达控制，目前这方面的需求正在快速扩大。
此外，还有用于轻轨马达控制的超高耐压功率元件，以及太阳能电池及风力发电用逆变器等。日本的轻轨分为直流马达驱动方式和交流马达驱动方式，新干线采用交流马达驱动方式。这就需要进行断路器控制及逆变器控制。另外，尽管太阳能发电提供的是直流电，风力发电提供的是不稳定的交流电，但均可利用逆变器转换为稳定频率的交流电输送给用户。一个太阳能电池的电压最大为0.5V左右，因此要串联多个电池，然后使用逆变器将其转换为100V交流电压。
功率元件的主流是MOS和IGBT
如上所述，功率半导体分为PBT、MOSFET及IGBT等。其中，PBT是以前的产品，目前的主流是MOSFET与IGBT。其中，MOSFET分为最大耐压为40V左右的中低耐压产品，以及40V以上的高耐压产品两种。
从中低耐压MOSFET的应用领域来看，大部分被用于计算机，其次为消费电子产品及通信设备（图3）。主要用于以充电电池驱动的便携电子产品的开关电源。随着便携电子产品销量的增加，这一市场有望不断扩大，需求也有望稳步增长。
高耐压MOSFET用于消费电子产品的比例较高，其次是有线通信及计算机等（图4）。之所以用于消费电子产品的比例较高，是因为在液晶电视及PDP电视中，驱动器LSI的驱动用电路与电源控制电路均使用了功率MOSFET。但该市场也因2008年开始供应过剩及全球性经济衰退，在2009年陷入低迷，估计2010年以后会稳步增长。
其次是IGBT，这种功率半导体兼具高耐压、大电流及高频率特性，距第1代产品量产已经过去了约20年的时间。IGBT的功率放大用途方面，被广泛应用于闪光灯的发光控制及电车的动力控制等。尤其是空调及洗衣机等常用家电，均配备有IGBT。空调的压缩机控制电路、洗衣机的马达驱动用控制电路、电饭煲的电力控制电路及微波炉的磁电管控制电路都使用IGBT。配备IGBT之后，控制电路可完成逆变功能，实现节能及大范围电力控制。
IGBT市场大致分为产业设备、车载设备及消费电子产品3个应用领域（图5）。产业设备方面，多用于轻轨、产业机器人及机床马达控制用逆变器。车载设备方面，多用于混合动力车的驱动用马达与车载空调压缩机用马达的控制逆变器。消费电子产品方面，主流是数码相机的闪光灯用途与空调的逆变器用途。尽管2009年IGBT市场出现大幅萎缩，但2010年出现快速复苏，估计到2013年市场规模将远远超过2008年。
图4：高耐压MOSFET市场预测
用于消费电子产品的比例较高。其次为有线通信及计算机。数据由iSuppli Japan提供。
IGBT市场规模扩大的背景在于混合动力车及电动汽车的IGBT需求增加。目前，汽车厂商竞相发布了增产混合动力车的计划。打算以混合动力车一举取代原来的汽油车。各国政府提供购车补助金的举措也有望进一步促进需求量增加。另外，中国的一些小型民营企业已发布多款100万日元以下的电动汽车，电动汽车的技术进步让人目不暇给。IGBT厂商接到的订单创下了历史最高纪录，目前是订单远超生产能力的状态。
功率半导体材料由Si发展为SiC及GaN
随着全球性绿色新政等的推进，功率半导体市场不断扩大。产品种类由晶闸管、可关断晶闸管（gate turn-off thyristor，GTO）及双极晶体管（bipolar transistor）等发展为MOSFET（metal oxide siliconfield effect transistor）及IGBT，应用领域也从家电扩大到了OA、产业、医疗、电动汽车、铁路及电力设施的广泛领域。目前，功率半导体可支持的功率范围从数W的开关电源扩大到了GW级直流供电。人们常用的各种电子设备都在使用功率半导体。
图5：IGBT市场预测
产业设备、车载设备及消费电子产品为3大应用领域。数据由iSuppli Japan提供。
但原来使用Si的功率半导体，已接近由Si的物理性质所决定的理论极限，很难在性能上实现飞跃性提高。因此，使用SiC、GaN及金刚石等材料的新一代功率半导体日益受到人们的关注。比如，为了减少电力转换时的损失，需要功率MOSFET实现低电阻化，但目前的主流Si-MOSFET很难大幅降低电阻。因此，使用带隙较宽（宽带隙）的半导体材料SiC的低损失功率MOSFET的开发应运而生。
SiC及GaN具有带隙约为Si的3倍、击穿电场强度达到Si的十倍以上的出色特性。另外，还具备可在高温下工作（有报告称SiC可耐受650℃高温）、高导热性（SiC与铜相当）以及高饱和电子漂移速度等特点。因此，使用SiC及GaN时，可降低功率半导体的导通电阻，大幅降低电力转换电路的电力损失。
据估算，日本总耗电量的约50％是马达消耗掉的，如果为各种马达及空调等配备逆变器并提高逆变器的效率，仅日本就有望实现相当于4座核电站发电量（CO2排放量1000万吨）的节能效果。
HV及EV热切期待的SiC
据业界预测，SiC功率半导体的电力损失可比Si功率半导体减少70～90％。而且SiC可耐受1kV以上的高电压，因此适用于电力、铁路及产业用途。尤其是混合动力车（HV）及电动汽车（EV）的马达驱动用逆变器，需要具备1kV左右的高耐压特性，因此人们对SiC功率半导体寄予很高的期待。从上述意义上来说，作为节能元件，SiC功率半导体是一个值得重点推进研发的领域。
SiC功率半导体的开发，在晶圆技术与工艺技术方面均取得了进展。晶圆方面，已确立了外延生长基础技术，50～75mm直径的晶圆已开始市售。微管缺陷已减至1个/cm2的水平。不过，位错缺陷只能在特殊条件下达到数百个/cm2的水平。通常情况下为数千到1万个/cm2左右，因此当务之急是大幅减少位错缺陷。工艺技术也正在达到可制造元件的水平。以海外厂商为主的多家企业均开始市售4～12A电流、300～1200V电压的SiC-SBD（schottky barrier diode，肖特基二极管），目前已被嵌入电源电路中使用。
剩下的问题便是SiC晶圆价格高达Si的数十倍。目前，美国科锐（Cree）基本垄断了SiC晶圆的供应，因而低价格化尚无眉目。日本豪雅（HOYA）及新日铁材料等企业已开始供应SiC晶圆，罗姆也自主开发成功了SiC功率半导体。今后的低价格化颇受人们关注。目前好几家半导体厂都在考虑几年后开始量产SiC功率MOSFET，据这些厂商预测，2015年前后SiC晶圆的价格将降至数倍于Si晶圆的水平。
可支持高频电力的GaN
虽然GaN的耐压只有200～1kV左右，但却具有可支持高频电力的特点。因此，业界普遍认为，GaN适用于数字家电的电源电路等用途。
GaN的课题是很难获得大尺寸的块状晶体，因此形成元件时不得不全部依赖外延生长膜。由于这个原因，制造成本容易高于SiC。工艺技术方面，采用异质外延晶体生长技术可在蓝宝石、SiC及Si上形成品质较好的GaN薄膜。使用这种薄膜，可形成添加了Al或In的异质结，利用AlGaN及GaN构造的自发极化效果，能够获得非常高的表面载流子密度。有报告称，可利用横型HEMT构造获得1m～3mΩ的极低导通电阻，在350V电压下实现150A的大电流工作。
如上所述，SiC与GaN的特点及用途各不相同，因此有望在各自的应用领域及市场获得发展。不过，尽管Si的性能不会迅速提高，但会逐步缓慢提高，估计2015年之前Si仍是主流。
目前，SiC与GaN的晶圆价格还比较高，而且外围技术跟不上。尽管可在高温下工作是SiC与GaN独有而Si不具备的特点，但这两种材料仍然存在虽然半导体芯片本身可耐受高温，但焊锡与封装无法耐受高温的问题。如果能够解决这些问题，并在需要用到Si所不具备的SiC及GaN特点的领域获得应用的话，估计使用SiC及GaN的功率半导体市场规模会进一步扩大。
来源:技术在线