前幾日的一篇文章，講解了日本功率半導體的現狀，現在很多讀者還未對功率半導體有較深的認識，其實也能夠理解，畢竟這個方面在生活中很少涉及。為了讓各位讀者有更深的認識，這裡再講一講所謂功率半導體的具體作用。
各種電子部品對應的人體器官（信息來自網絡，編者整理）
功率半導體與人體器官進行對比的話，或許更好理解。人體的大腦是需要思考和記憶，相當於CPU/MCU以及DRAM/NAND等半導體的功能；而肌肉的話，相當於各種傳動裝置；五感就相當於各種傳感器，能夠感知外部的情況。而功率半導體，如同人類的胃腸等消化器官以及給全身輸送血液的心臟，處於一個很重要的位置。
之前的文章中已經說過，功率半導體的應用領域，十分廣泛，那麼未來究竟在哪些方面會出現爆發式增加呢？其實從現在行業的發展趨勢來講，主要有三個方面：逆變器使用領域的擴大、資源節省化社會的推進以及汽車電動化的加速。許多日本企業已經提出“車載”的口號，上述的三大趨勢，也是日本企業蠢蠢欲動的源動力！
逆變器使用領域的擴大
在發電領域，不斷導入可再生能源，但是為了實現電力的穩定供給，就需要功率調節器（Power conditioner）。比如太陽能發電以及風力發電時，需要逆變器。在逆變器中，關鍵部品就是功率半導體，比如IGBT或者MOSFET等。
逆變器使用領域（信息來自網絡，編者整理）
科技的發展，會不斷有更多人性化的電子產品出現，這些電子產品當中，都會使用到不同的電源控制裝置。以太陽能發電為例，其發電效率會收到天氣的影響，屬於“不穩定供電”。需要將太陽能轉為電能，繼而再轉為我們使用的交流電，功率調節器承擔著這項功能。
三菱電機開發的功率半導體組件
在電源領域，如何提升電子設備的效率，是所有技術人員面臨的重要課題，特別是“數據中心”。“雲時代”的到來，各個IT企業都在籌備建設數據中心，數據中心選址重要的因素就是“供電”。在美國，一些企業將數據中心建設在沙漠或者河川周圍，為其準備太陽能發電站或者水利發電站。其中的關鍵，就是如何減少電力的浪費！
汽車電動化的加速
原本還想展開說一下節能化社會的推進，不過思來想去發現“節能”一詞，似乎能夠滲透到各個領域，範圍實在太廣泛，所以就此跳過直接講一下汽車電動化。運輸佔據了整體能源消費的25%左右的比例，其中佔據主體能源消費的就是汽車。所以，改善能源效率、減少二氧化碳排放等環境要求越來越嚴格。加之，原油價格的變動無常，中長期來看，HEV、 EV以及PHEV將成為主流。
HEV（混動）汽車構成
上圖是一般混動汽車的簡單構成，其實現在有內燃機的汽車，多是使用MOSFET等功率半導體，但是如果驅動馬達的話，就需要IGBT。豐田汽車掌門人，多次提到如今汽車已經面臨轉型。現存體制的汽車為垂直統合型的模式，而到EV時代，所有部品都“模組”話，將會呈現水平分業模式。如何提升汽車附加價值，是車廠所面臨的重大考驗，所以很多車廠將IGBT研發放在首位，比如豐田系的電裝。EV汽車的逆變器功能，主要有下面幾個：將電池儲存的直流電轉換為交流電；轉換的同時，需要轉換成可以控制車速以及系統的頻率；同時控制馬達的轉數、驅動扭力等。
硅半導體已經進化到“極限”
從上述的文章，我想各位對功率半導體的認知又加深了不少，其實之前文章提到的半導體，都是“硅材料”，其實除了Si材料以外，最近20年研究者們開發了WBG（Wide Band Gap），中文叫寬禁帶半導體。寬禁帶半導體之所以被開發，是因為在半導體行業有一個共同認知：硅材料的功率半導體已經進化到極限。對於功率半導體最為重要的性能是“效率”，換言之就是電力損耗，越低越好。損耗有：導通損耗和開關損耗。導通損耗指的是開關ON的時候，電流經過時發生的損耗，理想狀態是零，可是存在阻抗，實際上無法達到零損失；開關損耗很好理解，從ON→OFF時發生的損耗，開關損耗與容量和開關頻率有關，容量越小開關所需時間越短，損耗越低。另外一個重要的性能是，耐電壓性。提高耐電性能，就需要提升ON時的阻抗，開關時間也就越長。所以，ON阻抗、開關時間以及耐電性三者是“矛盾”關係。開發功率半導體的關鍵就在於，如何將此三點同時提升。
從理論上來講，ON阻抗與耐電性的關係最為嚴格，其關係是通過Energy band gap（能隙）所決定的。同樣ON阻抗的的材料，如果能隙窄的話，其絕緣破壞電解就小，耐電性就下降。硅材料經過不斷的改良，現在已經達到了臨界點。雖然能夠改變晶體管結構，來突破材料本身的界限，比如功率MOS FET，可是其結構過於複雜，生產成本較高。因此半導體業界就出現了使用寬禁帶的半導體材料來開發功率半導體的動向！
高耐壓的SiC和高速的GaN
現在已經有兩種寬禁帶材料運用到功率半導體之上，SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）。
半導體材料規格對比（信息來源網絡，編者整理）
從規格上我們可以看到，同樣厚度的寬禁帶半導體，比硅半導體有更強的耐電壓性；相同耐電壓性的寬禁帶半導體，只有硅半導體的十分之一的厚度。功率半導體越薄，其ON阻抗越低，電力損失也就越低。SiC和GaN材料的功率半導體，最開始是“競爭”的狀態，但是現在隨著研究的深入，兩者的分工逐漸明確。
豐田開發的SiC半導體
SiC最開始使用在肖特基二極管和功率MOS FET之上，都是縱型半導體，可以處理高電流和高電壓；GaN最開始使用在高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor）之上，是橫型半導體，可以對應高速動作但是耐壓和電容較Si小。現在SiC和GaN材料半導體價格製造成本很高，主要原因在於其原材料成本高。SiC原材料的每平方釐米大約在90RMB以上，而普通硅片的原材料成本大約在6~7RMB（日本水平），差異很大。GaN則更加貴，每平方釐米達到2400RMB以上。
日本企業蠢蠢欲動
期待SiC以及GaN的企業有很多，許多大型企業也參與競爭，因此現在技術對抗十分激烈。日本政府以“節能社會戰略”為由，大力的推進SiC等第三代半導體材料的研發。現在SiC領域，有幾個不同的商業模式：
- 外購晶圓（原材料），自主設計芯片和製造。代表企業為：Infineon和ON semi；
- 晶圓內製的垂直統合模式，代表企業為：ROHM、Cree、Wolfspeed；
- 企業群模式，比如三菱電機、富士電機，有許多終端的產品群；
- 除此之外，還有Foundry-Fabless等；
參與SiC領域的主要企業
上圖是參與SiC領域的主要企業和參與領域，從日本企業來看，三菱和富士電機的戰略相同，重點放在設計到系統的環節；ROHM（羅姆半導體）則是從SiC基板到模組化戰略，不參與系統開發；值得注意的是電裝和豐田汽車，涉及SiC基板到系統全流程的業務！除此之外，日本的一些中堅企業，比如昭和電工以及新日鐵住金，主要涉及材料領域。
日本SiC和GaN半導體現狀（信息來源網絡，編者整理）
- 三菱電機2010年就涉足SiC領域，其製品已經用在空調、鐵道以及汽車等多個領域；
- 羅姆半導體兩種材料的功率半導體已經開始量產，SiC晶圓內製，預計到2025年累計會投資超過200億日元；
- 富士電機的松本工廠6inch SiC晶圓產線早已建成，2012年就實現了SiC模組量產；
- 日立目前著眼於鐵路和車載用SiC模組；
- 三社電機和松下共同研究SiC模組；
- 新日本無線與電裝開發音響用SiC-MOSFET已經量產；
......
結束語
目前各個日本公司SiC相關的產品已經逐步面向市場，但是GaN材料的半導體產品還需要時間的沉澱。其實最近還有一種材料引起了很多研究者的注目，那就是Ga2O3（氧化鎵），目前日本政府系的研究機構以及大學對氧化鎵正在進行深入的研究。畢竟基礎研發無法馬上成為利益源泉，許多企業還是著眼於SiC和GaN之上。待後續有機會，會對氧化鎵做一個深入的介紹！
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