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节能需求催生新一代功率半导体 市场潜力巨大

导读: 目前用于逆变器、转换器等电力转换装置的功率半导体的市场上,使用碳化硅(SiC)及氮化镓(GaN)的新一代产品备受关注。

  日本昭和电工公司于2012年8月30日宣布,已把用于功率半导体元件的4英寸碳化硅外延晶圆的产能增强到了此前的2.5倍。

  市场增长显露曙光

  使用碳化硅的功率半导体元件在实现逆变器等电力转换装置的小型化及减少损失方面比较有效,因此相关元器件企业正在积极推进产品开发。昭和电工称,此次增加产能的原因在于,“在家电产品等低电压低电流应用领域,已开始逐渐产生实际需求,而且在铁路车辆及工业设备等高电压、大电流领域,开发项目也在增多”。碳化硅元件与作为竞争对手的硅元件相比,价格较高,这已经成为实现普及的瓶颈,但如果优质外延晶圆的供应量增加,便有望降低元件成本。

  通过在存在结晶缺陷的碳化硅晶圆上形成均质的外延层,可提高以此为基础制造的元器件的性能及成品率。

  实际上,推进碳化硅元件开发的企业活动正日趋活跃。开拓该领域市场最为积极的罗姆公司于2012年3月举行了媒体说明会,公布了关于碳化硅相关业务的展望。该公司称,虽然2010年的销售额仅为17亿日元,但2011年达到35亿日元,实现了倍增,预计2012年将增长到50亿日元。并宣布2014年力争实现160亿日元的销售额。

  开展碳化硅元件业务的企业还有三菱电机公司和富士电机公司等多家企业,但各家企业在销售预测方面均持慎重态度,大多未具体公布几年后的目标。从罗姆此次公布相关信息可以看出,碳化硅元件用户企业正从开发阶段稳步进入实际需求阶段。

  应用范围逐步拓宽

  逆变器是应用功率半导体的代表性产品。这是一种将直流电转变为交流电的电力转换装置,如果用于驱动交流马达,可根据负荷控制转数,因此可大幅实现节能。在日本,早就开始将之应用于空调及洗衣机等领域。今后,如果能进一步应用于产业马达等领域,从整体来看,将有望实现非常大的节能效果。这是因为,日本目前约60%的电力消费在于马达,但其中逆变器的利用率仅为10%左右。

  据称其中逆变器利用率仅为10%。

  不仅限于驱动马达,逆变器及转换器(将交流转换为直流)等电力转换装置被广泛应用于各种用途。在大量使用太阳能电池和定置式蓄电池等直流装置的智能电网等领域,今后尤其需要用到这些装置。而且在提高充电电池直流电压,以驱动马达的混合动力车(HEV)及纯电动汽车(EV)领域,也是关键装置。大量使用直流设备的数据中心等对小型高效电力转换装置的需求也非常大。

  电力转换器用于多种领域,可提高马达及电源电路的能源利用效率。

  功率半导体市场发展潜力巨大

  再来看看电力转换装置所使用的普通硅功率半导体市场。2010年全球半导体市场规模约为25万亿日元(按1美元80日元换算,以下同),而其中作为功率半导体代表的功率MOSFET约为5000亿日元,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为2500亿日元左右。虽然从金额来看,规模比较小,但增长潜力较大,调查公司IHSiSuppliJapan预测,到2015年,功率MOSFET将增长到约1万亿日元,绝缘栅双极型晶体管将达到4000亿日元左右,两者合在一起,或许能在5年时间内实现倍增。

  这一发展趋势的背景原因,不仅是发达国家出现节能热,还有新兴市场国家快速的经济发展。电力转换装置有望出现在社会各个领域,成为一种“生活必需品”,随着人口较多的新兴市场国家现代化的发展,将会产生大量需求。

  硅半导体的设计技术及制造技术均已成熟,能够以低成本进行大量生产。但另一方面,由于材料特性的原因,其性能存在极限,无法用于某些用途。碳化硅和氮化镓将通过突破硅的性能极限来开拓新市场。

  碳化硅主要适合用于大电力领域,氮化镓适合用于低电力、转换速度较快的领域。并且,由于可实现低损耗及小型化,因此还可替代现有的硅元件。

  新产品新技术相继问世

  带隙是半导体的基本特性,碳化硅和氮化镓的带隙比硅大3倍左右,绝缘破坏电场也高一位数。在高温下也能工作,流经电流时的阻力(导通电阻)较小,也就是能够制造能量损失较小的元器件。

  在日本,京都大学和产业技术综合研究所等很早就开始关注上述新材料,一直在推进基础研究及元器件研究。并且,官方研究机构和民营企业之间也合作实施了多个研究项目。2010年,经济产业省、内阁府、产综研及新能源产业技术综合开发机构等启动了更注重实用化的新研究项目,也有多家民营企业参加。由于这些项目涉及晶圆制造技术、元器件技术、系统技术及生产技术等多方面,因此经济产业省于2010年建立了旨在推动项目间合作的组织“碳化硅联盟”,目前正在提高运营效率。

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