我國半導體技術創新應用發展形勢研究分析
半導體器件的發明和應用深刻地改變了近50年的人類歷史發展進程。進入21世紀，半導體器件無處不在，已成為構筑信息化社會的基石。同時，電力半導體在提高電力轉換效率方面的作用使之成為構筑低碳社會的基石。半導體技術的節能效果是顯而易見的。世界首臺采用電子管的電子計算機ENIAC重達30噸，耗電量高達200kW，而如今具有同樣功能的半導體計算設備重量僅為幾克，耗電量不足1W。同時，電力半導體在太陽能光伏和風力發電裝置的電能轉換、儲存、輸送過程中發揮著關鍵性作用。可見，可再生能源利用和能源轉換裝置效率的提高都離不開半導體技術的創新應用。
硅Si器件經歷了多年的發展已經改變了家用電器的面貌，直流調速技術已經成為家用空調以及其他電機提高效率的主要技術措施。值得關注的是，碳化硅SiC、氮化鎵GaN和氧化鎵Ga2O3等新型器件的技術發展，除可通過減少器件能耗提高電力轉換效率之外，將在縮小外形尺寸、提高耐熱性能等方面促進家用電器技術發展。
提高能源利用效率是一個含義廣泛的課題。就家用電器而言，狹義的提高效率主要是提高家用電器在運行過程中的能源利用效率。目前，各國基本已對家用電器的能源利用效率展開監管，能效標簽、能效等級制度是較為常見的監管方式。而廣義的提高效率還需要考慮制造過程的能源消耗、原材料能耗、運行過程中間接的能效影響。本文討論的效率問題僅限于狹義范圍，且只針對利用技術進步實現能源利用效率提高的措施，并將著重闡述電力半導體對提高家用電器能源利用效率的作用。
電力半導體的材料替代
家庭用電約占美國社會總用電量的1/3。據預測，未來10年，美國家庭數量將增長11%，而得益于電力半導體技術，美國家庭用電量將僅增加6%。有調查報告指出：美國所有電力應用中的6%~10%是電源從交流AC轉換為直流DC，由于現有電源效率欠佳，美國電力總消耗的3%~4%是在電源內部消耗的;以改進產品設計、使用微電子控制器件以及場效應管FET和二極管等電力半導體來提高電源效率，可以節省美國電力總消耗的1%~2%。這意味著電力半導體技術具有每年節省30億~60億美元的潛能。
如今，電力半導體技術的發展不僅體現在應用日益廣泛的高效率LED照明器具上，即使在空調、冰箱、洗衣機、電磁灶等大功率家電領域，電力半導體的應用也已超出控制器驅動電源的范圍。大功率電力半導體驅動技術改變了產品原有的運行方式和能量轉換過程，節能效果顯著。提高家用電器的電源轉換效率和降低待機能耗是目前普遍采用的節能措施。半導體制造企業、電力轉換部件制造企業以及家用電器整機制造企業正在努力使這些損耗變得更小。
電機是多數白色家電的主要耗電部件，雖然調速控制和變扭矩控制技術在提高電機效率方面的作用早已為人所知，并在工業領域得到廣泛應用，但是在電力半導體出現前，這些技術難以應用于結構緊湊、維護相對不便的家用電器中。例如，具有調速功能的直流電機在配備半導體換向器之前，使用的是機械換向器，而機械換向器的壽命通常不足1000h，并使得驅動電源體積龐大、價格高昂。20世紀70年代末，日本企業將電力半導體技術應用于空調制冷壓縮機的調速控制，基本實現整機10萬h免維修，同時令驅動電源的外形尺寸大大縮小，可放置于空調內部，且價格大幅降低。日本市場在不到10年的時間內基本完成了從定轉速到變頻調速的轉變。雖然變頻電源消耗了約10%的電能，但是利用變頻調速在運行過程中的變速、變扭矩功能，可使住宅空調電力消耗平均降低約30%。同時，在冬季熱泵運行模式下具備大幅度提高制熱量的能力，這也促進了熱泵供熱技術的廣泛應用。
在變頻器和變壓器等裝置中起開關作用的電力半導體，如金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET、絕緣柵極型雙極晶體管IGBT和二極管等的技術發展趨勢是，從目前主流的Si半導體材料向SiC和GaN等化合物半導體材料轉變，在提高效率和減少體積方面取得重大進步。
德國弗勞恩霍夫Fraunhofer應用研究促進協會太陽能系統研究所ISE目前已經將太陽能光伏發電裝置配套的逆變器效率提高到98.5%，新逆變器的功率損失比該機構原有同類逆變器下降了50%左右。該機構在額定功率為5kW的單相逆變器上采用SiC器件替代Si器件，成為效率顯著提高的關鍵。這些SiC器件由美國科銳Cree公司生產，該公司在2010年已經解決了直徑6英寸SiC底板的制造工藝問題，并實現批量生產，為SiC器件制造成本的大幅下降創造了條件。
新型半導體器件的較高效率提升主要是因為器件內部功耗較低。在相同的電路結構下，將二極管從Si材料換成SiC材料，功耗可降低約30%;如果同時替換晶體管，功耗可降低約50%。功耗降低，發熱量也隨之下降，從而實現電力轉換器件的節能化。
除功耗低外，GaN和SiC還具備適于小型化的特性。首先，以上述兩種材料制成的器件能夠實現數倍于Si元件的高速開關，使得電感器等外圍電路部件的尺寸大幅下降，從而實現電力轉換裝置電路的小型化。其次，SiC和GaN元件還可在Si元件無法適應的200℃以上的高溫環境下工作，在發熱量相同的情況下，能夠減小電力轉換器件冷卻裝置的外形尺寸。
隨著GaN和SiC電力半導體產業化步伐的加快，開發充分利用其特性的新型外圍電路成為當務之急，例如可實現高速工作的驅動電路設計、以高頻開關為前提的電磁噪聲對策等。要使這些電力半導體在超過200℃的高溫環境下工作，除了采用耐熱性高且低價位的焊錫材料，在芯片安裝方面，還需采用耐高溫的封裝材料。這些外圍電路技術的進步，是發揮GaN和SiC器件效力的關鍵。
2010年10月，日本三菱電機公司宣布于2011冷凍年度開始銷售采用SiC制造的肖特基勢壘二極管SBD作為直流調速壓縮機驅動電源的家用空調。這是世界上首件應用SiC電力半導體的家用電器，標志著家用電器行業以SiC為代表的新一代電力半導體產業化的開始。
首批采用SiC器件的家用空調是三菱電機霧峰MoveEye系列產品，包括額定制冷量為2.8kW的MSZ-ZW281S以及額定制冷量為3.6kW的MSZ-ZW361S兩個型號。按照計劃，霧峰MoveEye系列將覆蓋額定制冷量2.2kW~7.1kW的范圍，其他型號產品將陸續以SiC器件替代Si器件。雖然目前SiC器件的價格仍然較高，但是三菱電機并未將成本變化反映在整機價格上，而是以讓利方式自行消化了增加的成本。
這批空調仍使用絕緣柵極型雙極晶體管IGBT，將Si二極管改為SiC-SBD，僅用于直流調速壓縮機驅動電源。從節能角度來說，采用SiC-SBD，壓縮機驅動電源的電能轉換損失可減少約60%，空調整機耗電量約減少2%。如果需要進一步提高電能轉換效率及縮小驅動電源外形尺寸，還需將其他電力半導體全部改為SiC器件，實現以SiCMOSFET取代IGBT。三菱電機此舉旨在促進SiC市場加速發展，使SiC器件的價格盡快進入合理區間，同時力爭在2013~2014年實現SiCMOSFET的產業化目標，從而在電力半導體市場取得競爭優勢。三菱電機計劃將IGBT全部替換為SiCMOSFET，SiC器件將不僅應用于壓縮機驅動電源，還將應用在主控制板的電源部分。如果全部采用SiC器件，主控制板的電力電子模塊部分的外形尺寸將減為目前的50%左右。
三菱電機曾發布過一系列針對采用全SiC電力轉換器件的節能前景驗證結果。利用SiC-SBD和SiCMOSFET試制的輸出功率為11kW的電機變頻器，與三菱電機采用Si器件制造的同類整機相比，功耗約減少70%。同時，試制的SiC變頻器的體積小于Si變頻器，采用SiC器件的整機體積只有利用Si器件整機的1/4左右。此外，三菱電機試制的輸出功率為3.7kW的SiC電機變頻器的功耗比Si電機變頻器下降約54%。
驗證結果顯示，輸出功率為20kW的SiC電機變頻器的節能效果更為顯著。額定輸出功率為20kW、開關頻率為20kHz的SiC電機變頻器，與采用普通Si制成的IGBT同類產品相比，功耗減少約90%。據介紹，這是通過縮短開關時間實現SiC器件開關速度的提升，從而降低功耗。為了加快開關速度，柵極驅動電路需實現高速化，改進驅動方式，降低驅動電路中的寄生電感，從而將開關時間縮短為50%左右。同時，提高開關速度可能導致浪涌電壓增大，從而損壞SiC器件。為了避免這一問題，新產品通過改進SiC器件的配置和電路布線，減少了電路中的寄生電感以抑制浪涌電壓。與輸出功率為20kW的Si電機變頻器相比，SiC電機變頻器的寄生電感僅為前者的1/5~1/10。
2011年2月，三菱電機宣布成功開發出晶體管和二極管均采用SiC的電力半導體器件“全SiC”智能功率模塊IPM。除了采用SiC器件，IPM還將過電流保護電路與驅動電路一起內置在模塊中。一般情況下，在功率元件中很難做到既提高電流密度又降低損失，而由于采用SiC功率元件，IPM可以實現這種雙贏。與采用Si器件構成的IGBT相比，新模塊的電流密度提高了約3倍，同時逆變器功耗降低約70%。此外，新模塊的體積約為原同類模塊的一半。
日本電力中央研究所成功試制出采用SiC二極管、用于分布式電源系統連接的逆變器。該逆變器的額定輸出功率為3.3kW，輸出電壓為單相200V，轉換效率高達96.4%，是目前同類電力電子轉換裝置中電能轉換效率最高的產品，主要用于家用太陽能發電系統和燃料電池系統等的功率調節。該逆變器由調節直流電壓的斬波器和將直流轉換成交流的單相逆變器構成，并通過降低斬波器電路上二極管的恢復電流，實現高轉換效率。與原來采用Si二極管的最高性能產品相比，該逆變器的電力損失減少了15%;通過提高斬波器電路的開關頻率，裝置體積縮小了15%。
氮化鎵即將實現產業化
近年來，GaN電力半導體的研發日益活躍。與采用Si電力半導體相比，GaN電力半導體應用于逆變器、轉換器等的電力轉換裝置，可大幅提高效率，并實現小型化。富士通研究所與古河電氣工業等組成的企業集團、美國IR公司、日本三墾公司、NEC與NEC電子組成的企業集團以及松下公司均已著手研發該類產品。
目前，GaN電力半導體研發的焦點之一是底板的選擇。GaN底板有助于提高GaN電力半導體的電氣特性，但價格較高。為了控制成本，越來越多的廠商選擇采用Si底板和SiC底板等特殊底板。GaN電力半導體之所以能夠提前進入產業化階段，是因為在降低制造成本和改善特性方面取得進展。降低成本的關鍵在于使用Si底板和SiC底板等比GaN底板價格便宜的新型底板。在GaN底板上制造GaN電力半導體，雖然能夠獲得很好的電氣性能，但是GaN底板的價格約為Si底板的100倍。另外，GaN晶圓的直徑只有2英寸，難以降低制造成本。
除Si底板外，還可以采用SiC底板低成本制造GaN電力半導體，可利用的最大直徑為4英寸。日本富士通公司研究顯示，考慮到元件的成品率等因素，采用SiC底板制造GaN電力半導體可能比使用Si底板成本更低。
一般而言，使GaN半導體在Si底板和SiC底板等異種底板上生長結晶并不容易。因為上述底板的線膨張系數及晶格常數等與GaN不同，容易產生結晶缺陷。富士通研究所指出，在異種底板和GaN半導體之間設置緩沖層可以解決這一問題。事實上，其他公司已用過類似方法，如采用Si底板制造LED產品。
2006年，松下公司宣布成功開發出采用GaN半導體的晶體管，計劃用于通用逆變器電路和電源電路等使用大功率開關的元件。該晶體管的元件面積僅為原有同類產品的1/8，而結構改進可令導通電阻降為原有同類產品的1/3左右。2010年，松下公司發布了在單芯片上集成6個元件的Si底板產品。與采用其他元件構成的逆變器相比，該產品可實現逆變器小型化，并降低寄生電感。事實上，寄生電感越小，越有利于實現高速開關。與采用硅制IGBT構成的逆變器進行電力損失對比，在輸出功率為20W時，該產品可使電力損耗減少約42%。
日本礙子公司宣布成功開發出可將LED光源的發光效率提高1倍的GaN底板。利用這種新型GaN底板制造的LED元件的內部量子效率提高了1倍以上，可使發光效率達到現有LED光源的2倍200lm/W。這意味著在耗電量降低50%的同時大幅減少發熱量，從而實現照明器具的長壽命及小型化。此項技術也可應用于混合動力車和電動汽車的電力半導體以及無線通信基站的功率放大器等產品。
與此同時，日本三菱化學公司計劃于2012年10月開始大批量生產用于LED的GaN底板。由于具有較高的電能轉換率，采用GaN底板的LED燈具的耗電量可比現有產品降低50%~70%。與現有采用藍寶石底板的同類產品相比，GaN底板雖然具有電力損耗較低等優點，但是存在制造成本偏高的問題。目前三菱化學公司已開發出新的生產工藝流程，計劃于2015年將GaN底板的制造成本降低為目前的1/10。
近期，日本信息通信研究機構NICT發布了Ga2O3晶體管研制成功的消息。與SiC和GaN相比，Ga2O3在低成本、高耐壓且低損耗方面顯示出較大的潛力，備受業界關注。Ga2O3是金屬鎵的氧化物，也是一種半導體化合物，目前已發現的結晶形態有α、β、、、五種。其中，β結構最為穩定，與Ga2O3的結晶生長及物性相關的研究工作大多圍繞β結構展開。研究人員用Ga2O3試制了金屬半導體場效應晶體管，盡管屬于未形成保護膜鈍化膜的簡單結構，但是樣品已經顯示出耐壓高、泄漏電流小的特性。在使用SiC和GaN制造相同結構的元件時，通常難以達到這些樣品的指標。除了材料性能優異如帶隙比SiC和GaN大，利用Ga2O3進行電力半導體研發的主要原因是其生產成本較低。
采用β-Ga2O3制作底板時，可使用FZ法及EFG法等溶液生長法，這也是其特點之一。溶液生長法容易制備結晶缺陷少、尺寸大的單結晶，可以低成本輕松實現量產。首先利用FZ法或EFG法制備單結晶，然后將結晶切成薄片，以薄片為基礎制造底板。用于制造藍色LED芯片的藍寶石底板就是利用EFG法制造的。藍寶石底板不僅具備價格便宜、結晶缺陷少的優點，而且尺寸較大，可為6~8英寸。而SiC底板的基礎即單結晶需利用升華法制造，GaN底板的基礎“單結晶”需利用HVPE法等氣相法制造，在減少結晶缺陷和大尺寸化方面應用難度較大。NICT研究小組已利用FZ法制成晶體管所需的β-Ga2O3底板，只要導入與藍寶石底板相同的大型制造設備，有望利用EFG法生產6英寸直徑的底版。
此外，NICT研究小組還試制出元件電阻降低的β-Ga2O3底板LED芯片。該芯片的工作電壓低，能夠減少大電流驅動時的發熱量。該芯片的熱阻很低，樣品的熱阻不到0.1℃/W，僅為同尺寸橫向結構現有產品的1/10~1/100。同時，該芯片的電流分布非常均勻。為了調查芯片電流分布情況，小組研究了1mm2的LED芯片內部的面內溫度分布。結果顯示，即使元件溫度平均上升70℃，芯片內部溫差最大只有7℃。由此可見，使用β-Ga2O3底板的LED芯片非常適合大電流用途。NICT研究小組希望在2012年內推出產品，將這種底板用于LED產品，朝著產業化方向進發。
β-Ga2O3不僅可用于電力半導體，而且還可用于LED芯片、各種傳感器元件及攝像元件等，應用范圍很廣。其中，使用GaN半導體的LED芯片底板最被看好。值得一提的是，β-Ga2O3適合需要大驅動電流的高功率LED。GaN基LED芯片被廣泛應用于藍色、紫色等光線波長較短的LED。其中，藍色LED芯片是白色LED的重要基礎部件。GaN基藍色LED芯片是在藍寶石底板上制造的。與現有藍寶石底板相比，β-Ga2O3底板的性能更加優異，紫外光及可見光的透射率均為80%，電阻率約為0.005?cm，具有良好的導電性。通常，底板的透射率越高，越容易將LED芯片發光層發出的光提取到外部，從而提高光輸出功率及發光效率;由于底板具備高導電性，可采用在LED芯片表面和背面分別形成陽極和陰極的垂直結構。
日本田村制作所與日本光波公司開發出使用氧化鎵底板的GaN類LED元件。與以前使用藍寶石底板的LED元件相比，該LED元件每單位面積可流過10倍以上的電流，可用于前照燈及投影儀等高亮度產品。另外，氧化鎵底板通過簡單的溶液生長即可形成，是一種可實現低成本化的技術，還可應用于照明領域。
氧化鎵底板具有高導電性，使用該底板的GaN類LED元件可在內外設置電極。田村制作所與光波公司開發出可大幅削減緩沖層電阻位于氧化鎵底板和GaN類外延層之間的技術，并且通過在氧化鎵底板上形成低電阻n型歐姆接觸電極的技術，用于通過大電流的LED元件。雖然有觀點認為氧化鎵底板容易破裂，但是據稱開發者已通過調整氧化鎵底板的面方向解決了這一問題。
2012年1月，NICT和田村制作所宣布開發出使用Ga2O3單晶底板的晶體管。與已開始用于電力半導體領域的SiC和GaN相比，這一技術可大幅削減制造成本。該晶體管是一種將具有肖特基結的金屬用于柵極電極的MESFET。β-Ga2O3的帶隙為4.8~4.9eV，大于SiC的3.3eV和GaN的3.4eV，理論上可以獲得優于SiC和GaN的高耐壓性及低損耗性。另外，由于單晶底板制造無需具備高溫高壓等條件且原料利用率較高，以低成本量產單晶底板成為可能。
使用β-Ga2O3的電力半導體的研發才剛剛起步，還存在諸多問題，而要想實現產業化，首先要試制出能夠常閉型工作的晶體管致力于實現MOSFET產品的制造。制造MOSFET產品時，柵極絕緣膜需要使用帶隙非常大的Al2O3、SiO2等氧化物。由于同為氧化物，這些氧化物絕緣膜與Ga2O3的界面有望實現低缺陷密度界面狀密度。NICT和田村制作所表示，力爭在2015年前制造出直徑4英寸的底板和MOSFET，并在2020年前開始作為電力半導體小規模量產。
驅動電源和電機一體化
調速控制是家電用電機技術發展的重要領域，深刻影響著家用空調和冰箱制冷壓縮機、循環水泵、風機等部件的技術發展。這項技術目前的主流方案是采用電子電路構建的調速驅動電源通常稱為電源變換器或變頻器，通過改變電機輸入的電源參數實現轉速調節。該領域近年來的發展趨勢是將壓縮機和驅動電源進行一體化設計，由壓縮機制造商或集成供應商提供集成組件，簡化整機制造企業的系統開發工作。同時，這種做法還可提高整機性能和運行可靠性以及降低成本，客觀上促進了高效率制冷壓縮機的應用。目前，部分家用冰箱用變頻壓縮機或直流調速壓縮機就是由壓縮機制造企業配套驅動電源，通常驅動電源以專用的安裝構件靠近壓縮機安裝，而空調壓縮機采用將驅動電源置于壓縮機殼體內部的方案已初露端倪。
將驅動電源置于電機內部的方案已有超過20年的產業化歷史，這類電機的生產企業和品種越來越多，產品的高效、可靠以及便于應用等優點已得到充分驗證。2005年3月22日，豐田發布了獵犬混合動力車HarrierHybrid和機敏混合動力車KlugerHybrid，二者的空調系統均采用逆變器一體化電動壓縮機。該空調系統利用逆變器將所配充電電池的直流電轉換為交流電，然后再利用交流電驅動內置在壓縮機中的三相電機，再將壓縮機轉速控制在1000~8600rpm的狀態下工作。除了以三維方式對IGBT控制電路等裝置進行配置，空調逆變器與電機的一體化設計還可在作為逆變器外裝的樹脂部分嵌入一些部件。該逆變器的外型尺寸比同類產品縮小了1/3。空調逆變器采用與壓縮機一體化設計，可以使用空調制冷劑進行冷卻。空調系統所用逆變器中最需要冷卻的部件是用于交換控制信號以及獲取電機驅動功率的“光耦合器PhotoCoupler”。該部件的耐熱性較差，最需要冷卻。
松下公司在2006年10月舉行的電動車輛討論會上也展示了類似的空調壓縮機，可適用于混合動力車、電動汽車和燃料電池車的空調系統。因為發動機停機能夠使空調制冷機保持運轉狀態，改善停車時的舒適性和車輛的運行經濟性。傳統的車用空調壓縮機是通過皮帶將曲軸的輸出傳達到帶輪，從而進行壓縮制冷。該壓縮機去掉了帶輪，改為內置無刷電機;機械結構保留了傳統的皮帶傳動型設計，可靠性不受影響，并采用以低壓低溫側制冷劑冷卻逆變器的方法。原有的電動空調壓縮機與逆變器在結構上是獨立的，該技術方案通過縮小逆變器的體積，將逆變器和壓縮機進行一體化設計，使壓縮機更加小型化和輕量化。
羅姆公司在2010年的日本高新技術博覽會CEATEC上展示了使用SiC器件的新型電力電子模塊的工作狀況。該模塊的特點是尺寸小、耐熱性高，并可內置于電機中。展品包括集成多個溝道型MOSFET或肖特基勢壘二極管SBD的兩種模塊，耐壓均為600V，輸出電流均為450A，并展示了內置這兩種模塊的電動汽車驅動電機以及電機驅動車輪的情景。同時，羅姆公司還展示了配備溝道型MOSFET和SBD的逆變器模塊。該產品耐壓為600V，輸出電流為300A，特點是尺寸小。該模塊的體積約為使用IGBT的逆變器模塊的1/10，在225℃的高溫下也可正常運行。不過，上述產品目前仍處于開發階段，預計于2013年實現產業化。
雖然家用電器領域已有個別部件在嘗試驅動電源內置的電機技術，但是就整個家用電器行業而言，該技術的產業化尚未列入議事日程。就空調壓縮機而言，電動汽車一體化空調壓縮機技術正在向家用空調壓縮機領域轉移，目前主要的問題是需要時間。
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