功率半导体——实现碳中和的关键器件

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摘   要：功率半导体是构成将直流转换为交流的逆变器、将交流转换为直流的转换器、具有变频等功能的功率转换器的最重要的半导体器件的总称。如今，功率半导体已广泛应用于火车、电动汽车、家电、照明设备、电磁炉和计算机电源等生活中各个领域。

关键词：功率半导体、碳中和、Si/SiC、IGBT/MOSFET、内置二极管

前言

功率半导体是构成将直流转换为交流的逆变器、将交流转换为直流的转换器、具有变频等功能的功率转换器的最重要的半导体器件的总称。由于这种功率转换需要能够高速开关高电压和大电流的开关，因此它们利用半导体特性由电信号进行控制。与使用电阻器的传统转换方法相比，由于热能引起的能量损耗较少，有助于节能。如今，功率半导体已广泛应用于火车、电动汽车、家电、照明设备、电磁炉和计算机电源等生活中各个领域。

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什么是功率半导体？

功率半导体是一种通过开关操作实现各种功率转换的器件。正如“switching（开关）”一词所示，在功率半导体内部，通过高速重复打开和关闭开关来将直流电转换为交流电（逆变器），或将交流电转换为直流电（转换器）。此外，其还可以转换频率或转换电压（稳压器）等。

以电动汽车为例，电机的驱动需要在起步时控制功率和扭矩平稳上升，减速时要逐渐降低转速。为此，为了控制直流电和交流电，就需要功率半导体。功率半导体已广泛应用于使用电的火车、电动汽车、家电、照明设备、电磁炉和计算机电源等生活中各个领域。

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功率半导体结构与材料

功率半导体大致可分为二极管和开关器件两类。其中，主要用作开关器件的是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。它们各有优缺点，但IGBT的大电流和高电压处理能力强，被广泛应用于电动汽车和铁路车辆用的逆变器、太阳能发电用的功率调节器等领域。然而，IGBT在开关特性方面存在问题并且不擅长高速开关操作。这是因为在电流的传输机制中，不仅是电子，电子运动产生的“空穴”也会产生影响，因此在开关操作时电流不容易被切断，会造成大量的损耗。

另一方面，MOSFET是一种在低于1200V的电压范围内被广泛使用的器件，擅长高速开关。MOSFET用于开关电源等。在这里，只有电子有助于导电。

IGBT（左）和MOSFET（右）的结构

到目前为止，硅(Si)一直被用作制造这些功率半导体器件的基础材料。然而，在过去十年中，使用硅和碳的化合物——碳化硅(SiC)为基础材料的器件已投入实际使用。例如，在新制造的有轨电车中安装的逆变器中搭载SiC功率半导体的情况正在急剧增加。

开始使用SiC是为了提高功率转换的效率。人们开始要求开发一种用于实现高耐压和低导通电阻（传统的硅功率半导体无法实现）的新型功率半导体，因此带隙比Si宽的的宽带隙半导体的前景更加广阔。宽带隙半导体的特征在于，一般具有较强的原子间键合力，引起介质击穿的场强远高于硅。SiC的带隙比Si宽约3倍，随之介质击穿场强是Si的10倍以上。如果用SiC制造与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。

半导体材料与物理性能的关系

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SiC功率半导体的优势与问题

随着材料开发的不断进步以追求更好的物理性能，在传统上主要使用基于Si的IGBT的大功率应用中，越来越多地使用基于SiC的MOSFET。SiC-MOSFET可以说是一种兼具高功率适用性和高速开关性能的开关器件。

例如，从常规线路到新干线（如N700S系列），SiC功率模块越来越多地用作铁路车辆的主转换器。随着使用范围的扩大而不断增加的需求，由于SiC可以直接使用现有的大多数Si半导体工艺设备来制造，因此它比较容易应对。

另一方面，SiC-MOSFET的问题之一是内置二极管特性的劣化。已知SiC-MOSFET的内置二极管的电气特性会因SiC晶体缺陷的扩大而劣化，因此需要研究防止电流流过内置二极管的方法。产综研开发了一种名为“SWITCH-MOS”的特殊结构，并正在致力于将一种既能实现高性能又能防止内置二极管劣化的新器件商业化。

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半导体产业的问题与产综研的努力

毫无疑问，未来SiC功率半导体的普及将继续取得飞跃性进展。但也存在一些问题。

其中一个问题是制造工艺。虽然半导体的制造始于硅或SiC衬底“晶圆”，但日本没有充分供应SiC晶圆的系统。用作材料的SiC晶圆市场份额排名前列的都是海外厂商。日本国内缺乏供应SiC晶圆的能力可能是功率半导体行业的一个弱点。

此外，还需要开发高性能的功率半导体材料。金刚石被认为是一种带隙比SiC和GaN（氮化镓：导通状态下导通损耗低，开关切换速度快，常用于高速通讯）更宽的材料。通过将金刚石用作功率半导体的材料，可以进一步提高SiC的性能。然而，关于金刚石，仍处于研发阶段，例如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。产综研正在进行基础研究，以寻找实现压倒性性能的可能性。

在功率半导体方面，从材料的开发到功率半导体器件的设计和试制、从安装和模块技术到电力转换器实证、从基础到应用，产综研以一贯体制进行着广泛的技术开发，是世界上少有的研究机构。

在日本政府宣布到2030年实现碳中和后，功率半导体的关注度进一步得到了提高。未来产综研将进一步加深与晶圆制造商和器件制造商的合作，共同开发。

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