世界各国政府以及各行各业的企业正在共同努力,推进迈向碳中和的举措(图1)。人们正在从能够想到的多个角度实施脱碳措施,例如使用太阳能发电等可再生能源、让迄今为止燃烧化石燃料的设备实现电气化以及减少家用电器、IT设备和工业电机等现有设备的功耗等。

各个国家和地区已经开始将碳定价机制作为制度引入,以将与业务活动相关的温室气体排放转嫁到成本。因此,脱碳举措不仅具有为社会做贡献的重要意义,而且会对企业经营的成绩单——财务报表产生明显的数字影响。

加速为实现碳中和而实施的面向电气化和节能化的举措图片
图1 加速为实现碳中和而实施的面向电气化和节能化的举措

时隔半个世纪的半导体材料完全模式变革

随着越来越多的脱碳举措得到实施,有一个半导体领域的技术创新正在迅速加速。它就是功率半导体

功率半导体是起到对电气和电子设备运行所需的电力进行管理、控制和转换作用的半导体元件。它被嵌入功率电子电路当中,这些电路包括为家用电器和IT设备稳定提供驱动电力的电源电路、无浪费地传输和分配电力的电力转换电路以及通过可自由控制的扭矩和转速高效率地驱动电机的电路等。功率半导体作为实现可持续发展社会的关键器件,目前已经开始了时隔半个世纪的完全模式变革。

功率半导体有MOSFET*1IGBT*2、二极管等各种元件结构,根据用途分别使用。但是,尽管结构不同,半个多世纪以来一直使用硅(Si)作为元件材料。这是因为Si具有良好的电气特性,同时具有易于加工成多种元件结构的特性。

*1 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金属氧化物半导体场效应晶体管)是一种起到电气开关作用的场效应晶体管。它由3层组成:金属、氧化物和半导体,通过向称为栅极的电极施加电压来进行打开和关闭电流的动作。

*2 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅双极晶体管)是具有将MOSFET和双极晶体管组合后的结构的晶体管。其特点是同时具有MOSFET的高速动作和双极晶体管的高耐电压、低导通电阻的特点。

但是,Si基功率半导体已无法满足进一步降低多种电气和电子设备功耗所需的高水平技术要求。为了克服这种情况,比Si更适合作为功率半导体材料的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等新材料的使用范围正在不断扩大。SiC和GaN在击穿电场强度(影响耐电压)、迁移率(影响动作速度)和热导率(影响可靠性)等多个物理特性上具有适合功率半导体的特点。如果能够开发出发挥其出众特性的器件,就能制造出具有更高性能的功率半导体。

基于SiC的MOSFET和二极管已经实现了产品化,并已用于电动汽车电机驱动逆变器和太阳能发电功率调节器中的DC/AC转换器等。基于GaN的HEMT*3也已实现产品化,并已用于超小型PC的AC转换器和智能手机充电器等。

*3 HEMT(High Electron Mobility Transistor:高电子迁移率晶体管)是一种场效应晶体管,它能通过连接不同性质的半导体并诱导高迁移率电子来实现高速开关。

电容器和电感器等的进步对于发挥SiC/GaN的潜力不可或缺

仅通过单纯地替换现有电力电子电路中的Si基元件无法充分发挥基于新材料制造的功率半导体的潜力。这是因为组成电力电子电路的其他半导体IC、无源元件甚至控制软件都是在以使用Si基功率半导体为前提的情况下开发和选择的。为了有效利用基于新材料的功率半导体,这些周边元件也需要重新开发和重新选择。

使用GaN基功率半导体的AC/DC转换器(用于数据中心服务器等)电路示例图片
图2 使用GaN基功率半导体的AC/DC转换器(用于数据中心服务器等)电路示例

例如,在采用了为降低数据中心服务器的功耗而引进的GaN HEMT的AC/DC 转换器电路中,使用了多个GaN HEMT(图2)。利用GaN HEMT可以在高电压时进行高速开关的特性,可以提高功率电子电路的开关频率(动作频率)。在动作频率较高的电路中,电路中内置的电容器和电抗器信号处理电路中的电感器的电抗值可以很小。一般来说,低电抗元件的尺寸较小,因此可以让电路板更小并提高功率密度。同样,在驱动电动汽车的电机的逆变器电路等当中也可以通过引入SiC MOSFET实现周边元件小型化,进而实现逆变器电路整体的小型化和轻量化。

另一方面,在高电压时进行高速开关的电源会产生高水平的噪声,这可能会对周边设备的动作产生不利影响。采用SiC或GaN功率半导体构建的电源在更高频率下进行开关,所以进一步增加了风险。因此,需要比使用以前的电力电子电路时更加严格的噪声对策。在这种情况下,需要使用设计用于高电压、大电流和高频电路的静噪元件,而不是用于以前的电路的静噪元件。

除此之外,对于在无源元件当中也属于特别笨重的元件的变压器,也需要在更高频率下工作的小型变压器。现在已经开发出了以使用基于SiC和GaN的功率半导体为前提的薄型平面变压器等,并且已经投入市场。

不仅关注功率半导体,而且关注周边元件的进步

迄今为止,多种类型的半导体(不仅仅是功率半导体)都是使用以Si为基础制成的。因此,许多现有的电子元件都默认是以与Si基半导体组合使用为前提进行开发的。为了充分发挥采用新材料制成的功率半导体的效果,不仅需要在现有元件中寻找更好的元件,而且可能需要开发满足新技术要求的新元件。

按元件材料和结构划分的功率半导体分布图片
图3:按元件材料和结构划分的功率半导体分布

一般来说,在Si基功率半导体中,呈现可以应对更高电压和更大电流的元件的动作速度更低的趋势(图3)。因此,能够应对高电压和大电流的小型电容器和电抗器并不齐全。此外,在能够在高温下稳定工作的SiC基功率半导体当中,有将散热系统简化以减小尺寸和重量并降低成本的趋势。在这些情况下,无源元件在高温环境下也需要确保高可靠性。

在功率半导体领域引入新材料是对半个多世纪以来针对Si材料进行优化的电气电子生态系统进行根本性变革的重大动向。针对新材料进行优化的周边电子元件的进步也非常值得关注。

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