什么是功率半导体（功率器件）？

什么是功率半导体（功率器件）？

2023/05/17

功率半导体（功率器件）

？

―实现碳中和的关键装置―

用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因

什么是功率半导体（功率器件）？

功率半导体（功率器件）是构成将直流电转换为交流电的逆变器、将交流电转换为直流电的变换器以及具有变频等功能的功率变换器的最重要的半导体器件的总称。这种类型的功率转换需要一个能够高速接通和关断高电压和大电流的开关，因此它是利用半导体的特性通过电信号来控制的。与使用电阻的传统转换方法相比，热能造成的能量损失较少，有助于节能。功率半导体现在应用于各种熟悉的场合，包括火车、电动汽车、家用电器、照明设备、电磁炉和计算机电源。

什么是功率半导体（功率器件）？

什么是功率半导体

　功率半导体是通过开关操作执行各种功率转换的器件。正如“开关”一词所暗示的那样，功率半导体通过高速地反复接通和断开开关，将直流电转换为交流电（逆变器），以及将交流电转换为直流电（转换器）。它还可以转换频率和转换电压（调节器）。

我们以电动汽车为例。电机驱动需要控制，使启动时功率和扭矩平稳上升，减速时转速逐渐降低。需要功率半导体来控制直流电和交流电。它们用于日常生活中，例如使用电力的火车和电动汽车、家用电器、照明设备、电磁炉和计算机电源部件。

功率半导体的结构和材料

　功率半导体大致可分为二极管和开关器件。其中，主要用作开关器件的器件是IGBT（绝缘栅双极晶体管）和MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）。每种器件都有其优点和缺点，其中 IGBT 具有很强的大电流和高电压处理能力，被广泛应用于电动汽车和铁路车辆的逆变器以及太阳能发电的功率调节器等领域。然而，它们存在开关特性问题，不擅长高速开关操作。这是因为不仅电子，而且电子运动产生的空穴也有助于电力传输的机制，因此在开关操作期间电流不会被切断，并且会产生很大的损耗。

　另一方面，MOSFET是广泛应用于1200V以下电压范围且擅长高速开关的器件。它用于开关电源等。在这里，只有电子有助于导电。

到目前为止，硅（Si）已被用作制造这些功率半导体器件的基础材料。然而，在过去的10年里，基于碳化硅（SiC）（硅和碳的化合物）的材料已经投入实际应用。例如，新制造的配备SiC功率半导体的铁路车辆中安装的逆变器数量正在迅速增加。

　SiC开始用于提高功率转换效率。人们对开发新型功率半导体的需求不断增长，这些功率半导体可以实现传统硅功率半导体无法实现的高击穿电压和低导通电阻，而比硅具有更宽禁带宽度的宽带隙半导体正变得更加有前途。宽带隙半导体一般原子间键合力较强，引起介质击穿的电场强度比Si高一个数量级。 SiC的带隙大约是Si的三倍，因此击穿电场强度是Si的十倍以上。如果用SiC制造出与Si具有相同耐压的功率半导体，经计算，导通电阻值可降低一个数量级以上。

SiC功率半导体的优势与挑战

　随着材料开发的不断进步，寻求更好的物理性能，采用 SiC 衬底的 MOSFET 越来越多地用于高功率应用，而传统上主要使用采用 Si 衬底的 IGBT。 SiC-MOSFET可以说是一种兼具高功率应用能力和高速开关性能的开关器件。

　例如，SiC功率模块越来越多地被用作铁路车辆的主转换器，从传统线路到新干线列车（例如N700S系列）。随着应用范围的扩大，满足这种不断增长的需求相对容易，因为碳化硅可以使用许多现有的硅半导体工艺设备来制造。

　另一方面，SiC-MOSFET 的问题之一是内置二极管的特性恶化。已确认SiC-MOSFET的内置二极管的电特性会因SiC内的晶体缺陷的扩大而劣化，因此需要采取措施防止电流流过内置二极管。产业技术研究所开发了一种名为“SWITCH-MOS”的特殊结构，并致力于实现高性能、同时防止内置二极管劣化的新器件的商业化。

半导体行业的问题和AIST的努力

毫无疑问，SiC功率半导体的普及将继续快速增长。然而，也存在挑战。

　其中之一是制造过程。半导体制造始于硅或 SiC 衬底“晶圆”，但日本没有足够的系统来供应 SiC 晶圆。 SiC晶圆材料的前几名份额均为国外厂商。日本SiC晶圆供应能力不足可能是功率半导体行业的一个弱点。

　还需要开发更高性能的功率半导体材料。金刚石被认为是比SiC或GaN（氮化镓，具有低通态传导损耗和高速开关操作，通常用于高速通信）更宽带隙的材料。通过使用金刚石作为功率半导体材料，可以进一步提高SiC的性能。然而，金刚石仍处于研究和开发阶段，包括如何制造构成晶圆基础的晶体以及如何制造功率半导体器件。我们正在进行基础研究，寻找展示压倒性性能的可能性。 （AIST 杂志“什么是金刚石半导体？」、「建造世界上第一座金刚石半导体工厂」）

　AIST是世界上罕见的研究机构，进行从基础到集成系统应用的广泛技术开发，从材料开发到功率半导体器件、封装和模块技术的设计和原型制作，再到功率转换器演示。

　政府宣布2030年实现碳中和后，我觉得功率半导体受到了更多的关注。展望未来，我们将通过深化与晶圆制造商、器件制造商等的合作来不断发展。