日本的第三代半导体有多牛?
来源:EDA365发布时间:2019-11-22430浏览
询问 AI前几日的一篇文章，讲解了日本功率半导体的现状，现在很多读者还未对功率半导体有较深的认识，其实也能够理解，毕竟这个方面在生活中很少涉及。为了让各位读者有更深的认识，这里再讲一讲所谓功率半导体的具体作用。
各种电子部品对应的人体器官（信息来自网络，编者整理）
功率半导体与人体器官进行对比的话，或许更好理解。人体的大脑是需要思考和记忆，相当于CPU/mcu以及DRAM/NAND等半导体的功能；而肌肉的话，相当于各种传动装置；五感就相当于各种传感器，能够感知外部的情况。而功率半导体，如同人类的胃肠等消化器官以及给全身输送血液的心脏，处于一个很重要的位置。
之前的文章中已经说过，功率半导体的应用领域，十分广泛，那么未来究竟在哪些方面会出现爆发式增加呢？其实从现在行业的发展趋势来讲，主要有三个方面：逆变器使用领域的扩大、资源节省化社会的推进以及汽车电动化的加速。许多日本企业已经提出“车载”的口号，上述的三大趋势，也是日本企业蠢蠢欲动的源动力！
逆变器使用领域的扩大在发电领域，不断导入可再生能源，但是为了实现电力的稳定供给，就需要功率调节器（Power conditioner）。比如太阳能发电以及风力发电时，需要逆变器。在逆变器中，关键部品就是功率半导体，比如IGBT或者MOSFET等。
逆变器使用领域（信息来自网络，编者整理）
科技的发展，会不断有更多人性化的电子产品出现，这些电子产品当中，都会使用到不同的电源控制装置。以太阳能发电为例，其发电效率会收到天气的影响，属于“不稳定供电”。需要将太阳能转为电能，继而再转为我们使用的交流电，功率调节器承担着这项功能。
三菱电机开发的功率半导体组件
在电源领域，如何提升电子设备的效率，是所有技术人员面临的重要课题，特别是“数据中心”。“云时代”的到来，各个IT企业都在筹备建设数据中心，数据中心选址重要的因素就是“供电”。在美国，一些企业将数据中心建设在沙漠或者河川周围，为其准备太阳能发电站或者水利发电站。其中的关键，就是如何减少电力的浪费！
汽车电动化的加速原本还想展开说一下节能化社会的推进，不过思来想去发现“节能”一词，似乎能够渗透到各个领域，范围实在太广泛，所以就此跳过直接讲一下汽车电动化。运输占据了整体能源消费的25%左右的比例，其中占据主体能源消费的就是汽车。所以，改善能源效率、减少二氧化碳排放等环境要求越来越严格。加之，原油价格的变动无常，中长期来看，HEV、 EV以及PHEV将成为主流。
HEV（混动）汽车构成
上图是一般混动汽车的简单构成，其实现在有内燃机的汽车，多是使用MOSFET等功率半导体，但是如果驱动马达的话，就需要IGBT。丰田汽车掌门人，多次提到如今汽车已经面临转型。现存体制的汽车为垂直统合型的模式，而到EV时代，所有部品都“模组”话，将会呈现水平分业模式。如何提升汽车附加价值，是车厂所面临的重大考验，所以很多车厂将IGBT研发放在首位，比如丰田系的电装。EV汽车的逆变器功能，主要有下面几个：将电池储存的直流电转换为交流电；转换的同时，需要转换成可以控制车速以及系统的频率；同时控制马达的转数、驱动扭力等。
硅半导体已经进化到“极限”从上述的文章，我想各位对功率半导体的认知又加深了不少，其实之前文章提到的半导体，都是“硅材料”，其实除了Si材料以外，最近20年研究者们开发了WBG（Wide Band Gap），中文叫宽禁带半导体。宽禁带半导体之所以被开发，是因为在半导体行业有一个共同认知：硅材料的功率半导体已经进化到极限。对于功率半导体最为重要的性能是“效率”，换言之就是电力损耗，越低越好。损耗有：导通损耗和开关损耗。导通损耗指的是开关ON的时候，电流经过时发生的损耗，理想状态是零，可是存在阻抗，实际上无法达到零损失；开关损耗很好理解，从ON→OFF时发生的损耗，开关损耗与容量和开关频率有关，容量越小开关所需时间越短，损耗越低。另外一个重要的性能是，耐电压性。提高耐电性能，就需要提升ON时的阻抗，开关时间也就越长。所以，ON阻抗、开关时间以及耐电性三者是“矛盾”关系。开发功率半导体的关键就在于，如何将此三点同时提升。
从理论上来讲，ON阻抗与耐电性的关系最为严格，其关系是通过Energy band gap（能隙）所决定的。同样ON阻抗的的材料，如果能隙窄的话，其绝缘破坏电解就小，耐电性就下降。硅材料经过不断的改良，现在已经达到了临界点。虽然能够改变晶体管结构，来突破材料本身的界限，比如功率MOS FET，可是其结构过于复杂，生产成本较高。因此半导体业界就出现了使用宽禁带的半导体材料来开发功率半导体的动向！
高耐压的SiC和高速的GaN现在已经有两种宽禁带材料运用到功率半导体之上，SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）。
半导体材料规格对比（信息来源网络，编者整理）
从规格上我们可以看到，同样厚度的宽禁带半导体，比硅半导体有更强的耐电压性；相同耐电压性的宽禁带半导体，只有硅半导体的十分之一的厚度。功率半导体越薄，其ON阻抗越低，电力损失也就越低。SiC和GaN材料的功率半导体，最开始是“竞争”的状态，但是现在随着研究的深入，两者的分工逐渐明确。
丰田开发的SiC半导体
SiC最开始使用在肖特基二极管和功率MOS FET之上，都是纵型半导体，可以处理高电流和高电压；GaN最开始使用在高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor）之上，是横型半导体，可以对应高速动作但是耐压和电容较Si小。现在SiC和GaN材料半导体价格制造成本很高，主要原因在于其原材料成本高。SiC原材料的每平方厘米大约在90RMB以上，而普通硅片的原材料成本大约在6~7RMB（日本水平），差异很大。GaN则更加贵，每平方厘米达到2400RMB以上。
日本企业蠢蠢欲动期待SiC以及GaN的企业有很多，许多大型企业也参与竞争，因此现在技术对抗十分激烈。日本政府以“节能社会战略”为由，大力的推进SiC等第三代半导体材料的研发。现在SiC领域，有几个不同的商业模式：
- 外购晶圆（原材料），自主设计芯片和制造。代表企业为：Infineon和ON semi；
- 晶圆内制的垂直统合模式，代表企业为：ROHM、Cree、Wolfspeed；
- 企业群模式，比如三菱电机、富士电机，有许多终端的产品群；
- 除此之外，还有Foundry-Fabless等；
参与SiC领域的主要企业
上图是参与SiC领域的主要企业和参与领域，从日本企业来看，三菱和富士电机的战略相同，重点放在设计到系统的环节；ROHM（罗姆半导体）则是从SiC基板到模组化战略，不参与系统开发；值得注意的是电装和丰田汽车，涉及SiC基板到系统全流程的业务！除此之外，日本的一些中坚企业，比如昭和电工以及新日铁住金，主要涉及材料领域。
日本SiC和GaN半导体现状（信息来源网络，编者整理）
- 三菱电机2010年就涉足SiC领域，其制品已经用在空调、铁道以及汽车等多个领域；
- 罗姆半导体两种材料的功率半导体已经开始量产，SiC晶圆内制，预计到2025年累计会投资超过200亿日元；
- 富士电机的松本工厂6inch SiC晶圆产线早已建成，2012年就实现了SiC模组量产；
- 日立目前着眼于铁路和车载用SiC模组；
- 三社电机和松下共同研究SiC模组；
- 新日本无线与电装开发音响用SiC-MOSFET已经量产；
......
结束语目前各个日本公司SiC相关的产品已经逐步面向市场，但是GaN材料的半导体产品还需要时间的沉淀。其实最近还有一种材料引起了很多研究者的注目，那就是Ga2O3（氧化镓），目前日本政府系的研究机构以及大学对氧化镓正在进行深入的研究。毕竟基础研发无法马上成为利益源泉，许多企业还是着眼于SiC和GaN之上。
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