淺談電力電子產(chǎn)業(yè)中功率半導體器件的發(fā)展

張小寧 陶紅玉 李志剛

引言

二十世紀四十年代，貝爾實驗室中的科學家們研究發(fā)明了金屬點接觸式晶體管以及PN結型晶體管，拉開了電子工業(yè)革命的序幕。此后，電子技術有著深奧內(nèi)涵的物理名詞成為一種廣泛的科技概念，電子產(chǎn)業(yè)也加速發(fā)展起來，成為當前的一項核心產(chǎn)業(yè)。當前電子技術以微電子學和電力電子學為核心。微電子因為數(shù)字邏輯特征明顯，功率范圍較大，從千瓦到毫瓦都能實現(xiàn)應用；要控制特性的模擬，輸出功率范圍為千瓦到數(shù)百萬千瓦。微電子學以邏輯器件的形式為大規(guī)模集成電路應用提供了技術支持，而電力電子學則依托功率器件推動電力發(fā)展。無論是微電子學還是電力電子學，其發(fā)展的最初形式都是半導體。電力電子是我國社會經(jīng)濟發(fā)展所必需的核心技術，廣泛應用于新能源、電動汽車、家電變頻、工業(yè)控制、智能網(wǎng)絡等行業(yè)。和集成電路相比，功率半導體器件共識度還比較低，有關的資料也不健全，所以需要對其發(fā)展歷程進行梳理，以預測我國電力電子技術的未來發(fā)展趨勢。

一、功率半導體的重要性

功率半導體器件能夠實現(xiàn)高效的電能處理目標，是半導體產(chǎn)品的杰出代表，更是連接弱電控制與強電運行的關鍵橋梁。隨著目前我國社會經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)等不斷發(fā)展，對于電能的需求不斷增加，電能成為人類消耗較大的一種能源[1]。人類社會發(fā)展已經(jīng)離不開電能的支持，不管是水電、火電還是核電等，都需要用電力能源的支持，且一些電力能源形式無法直接使用，需要通過半導體對能源進行轉化，使其成為可直接利用的電能。目前，電子產(chǎn)品都需要功率半導體器件的支持。使用功率半導體器件，旨在實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，提升資源利用效率，讓電能的使用更為便利。如，借助變頻進行調(diào)速控制，可以達到50%-70%的節(jié)能效果，節(jié)能的同時也更為環(huán)保。

在電池革命之前，一般需要通過高性能功率半導體器件為電源提供高效的管理支持，隨著人們社會生活節(jié)奏的加快，他們希望通過一次充電可以獲得更長的待機時間，而功率半導體器件的應用，真正實現(xiàn)了“粗電”向“精電”的轉變，在節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)保方面都發(fā)揮著積極作用。

隨著全球對綠色環(huán)保的關注度不斷提升，功率半導體器件的應用也逐漸從以往的工業(yè)控制和4C產(chǎn)業(yè)，發(fā)展到新能源、智能電網(wǎng)、軌道交通等新領域。結合國際市場調(diào)研機構HISISuppliResearch數(shù)據(jù)報告情況，2011年，全球功率半導體市場在2010年大增37.8%以后，進一步增長到 6.7%，達到 331 億美元[2]。而我國是其中最大的市場區(qū)域。我國功率半導體市場份額占世界市場50%以上。與微處理器、存儲器等集成數(shù)字半導體相比，功率半導體的生命周期相對較長，一般為幾年到幾十年，無需快速減小功率半導體的尺寸，需要的生產(chǎn)工藝也不是很復雜，所以其生產(chǎn)成本更低，將其應用到大規(guī)模的集成電路中具有很好的經(jīng)濟效益。所以，在我國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，功率半導體器件占據(jù)重要地位，對于緩解我國能源資源緊張問題，促進我國和諧社會建設都具有重要價值。

二、功率半導體器件發(fā)展歷程回顧

功率半導體的發(fā)展史與功率半導體的發(fā)展史密切相關，但又相對獨立。強半導體材料主要包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、硅（Si）、砷化鎵（GaAs）等，這些材料與功率芯片生產(chǎn)的基板材料有關，一般功率半導體指的是器件的材料+結構[3]。

現(xiàn)在半導體大多分為三代（也有說四代）。

20 世紀 50 年代后，第一代半導體材料主要基于硅 (Si)和鍺 (Ge) 材料生產(chǎn)發(fā)展而來，并得到廣泛應用。其中，鍺除了用于光纖、聚光器和高效太陽能電池外，由于穩(wěn)定性差、生產(chǎn)成本高，應用并不廣泛。硅材料主要應用于集成電路（IC）和功率器件的設計，目前應用廣泛的是硅MOSFET和硅IGBT。

砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等材料自20世紀70年代出現(xiàn)后逐步被應用到第二代半導體材料生產(chǎn)中。第二代開放式半導體主要用于開發(fā)發(fā)光、高功率微波和毫米波電子器件，廣泛應用于衛(wèi)星通信、移動通信、光通信、GPS導航等領域[4]。但由于材料稀缺、成本較高，其使用仍受到很大限制。

以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體大多出現(xiàn)在20世紀90年代。第三代半導體材料因其帶寬大于2.3 eV而被稱為寬帶隙半導體。由于其優(yōu)異的材料特性，各種半導體可以在非常高的開關頻率（GaN HEMT > 1 MHz）、高工作溫度（SiC MOSFET > 600 ℃）和低導通電阻（低至 1/1000）下工作。它在智能電網(wǎng)、電動汽車、軌道交通新能源網(wǎng)絡連接、開關電源、工業(yè)電機和家用電器等領域不同于具有相同電壓/電流額定值的硅基器件。其中，氮化鎵在微波射頻領域比前兩代半導體材料具有更廣闊的應用前景，而碳化硅電力電子器件的局限性則比傳統(tǒng)硅基器件大得多。然而，目前第三代半導體的成本包括量產(chǎn)、效率損失、硬件成本、原材料等[5]。例如，碳化硅器件比硅器件貴5-8倍。根據(jù)《2018年第三代電力電子半導體技術路線圖》，碳化硅產(chǎn)品的價格每年下降10%左右。根據(jù)成本降低系數(shù)計算，到2032年左右，碳化硅MOSFET模塊的成本將與IGBT相同（假設IGBT模塊的成本基本保持不變）。因此，近年來我們會逐漸在實際產(chǎn)品中看到碳化硅的身影，例如特斯拉Model 3中的電動轉向控制器就采用了碳化硅模塊。

第四代半導體也稱為超寬帶半導體。主要包括β-Ga2O3、金剛石、AlGaN等。一般來說，學術界定義的超寬帶半導體材料的帶寬比GaN材料的帶寬（3.4 eV）更寬。

三、我國功率半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢分析

自功率IC誕生后，功率半導體產(chǎn)品也逐步從單一走向多元化，功率集成電路產(chǎn)品、功率器件得到了快速應用和發(fā)展，因為各代功率半導體產(chǎn)品的自身結構體系中也在不斷更新，它們在各個領域也有其獨特的生產(chǎn)應用優(yōu)勢，所以目前的功率半導體市場出現(xiàn)了多代產(chǎn)品并存的現(xiàn)象[6]。從功率半導體器件的發(fā)展來看，我國電力電子行業(yè)正在持續(xù)向前，由此衍生出很多的發(fā)展路徑和產(chǎn)品，基于功率半導體器件的發(fā)展歷程分析，可以對未來我國電力電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢進行探究，筆者總結未來的電力電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將呈現(xiàn)以下幾點趨勢：

第一，產(chǎn)品質(zhì)量和體積會持續(xù)縮小，更加便于攜帶，輕量化是必然趨勢。

第二，未來產(chǎn)品會盡可能減少電力轉換中造成的損耗。

第三，相關產(chǎn)品生產(chǎn)成本會持續(xù)下降，產(chǎn)品的研發(fā)周期也會不斷縮短。

第四，產(chǎn)品失效率會明顯降低，產(chǎn)品可靠性將不斷提高。

第五，多代產(chǎn)品可以結合其功能以及價格特點，繼續(xù)保持共存的局面。

四、我國功率半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

當前，國際著名市場調(diào)研公司HISISuppliResearch公司2012年9月給出的全球前十大功率半導體供應商均是大型IDM企業(yè)，與此同時，排名前三位的功率半導體分立器件和模塊供應商也都是整機單位。

長期以來，我國功率半導體的作用尚未得到充分評估，國內(nèi)功率半導體產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，總體分布不集中。而目前生產(chǎn)功率半導體的能力不斷提升，技術持續(xù)優(yōu)化，已經(jīng)能夠實現(xiàn)在12英寸晶圓上生產(chǎn)功率半導體。國內(nèi)功率半導體及IDM企業(yè)基本已經(jīng)完成了8英寸生產(chǎn)線的建設和應用。大多數(shù)國內(nèi)半導體IDM企業(yè)傳統(tǒng)上專注于硅基二極管、晶體管和晶閘管。國際主要產(chǎn)品為功率半導體器件、功率MOS器件和IGBT。寬帶半導體近年來才引起人們的關注，尤其是微波半導體（SiCMESFET 和 GaNHEMT）。面向市場應用的寬帶電力電子設備的研發(fā)才剛剛開始。盡管當今市場流行的高壓BCD集成技術已引起IDM功率半導體器件制造商和IC代工廠的高度關注，但其發(fā)展水平與國際先進水平仍存在較大差距。雖然“專項02”支持硅/SOI基低壓BCD技術和600V高壓BCD技術的開發(fā)，但嵌入式FLASH存儲器的高密度BCD技術仍然是空白。功率半導體是汽車電子的重要領域，但國內(nèi)獲得汽車電子產(chǎn)品認證的半導體卻很少，絕大多數(shù)汽車功率半導體依賴國外進口[7]。

在市場需求的拉動下，在國家政府項目特別是國家科技攻關項目“02”的支持下，我國功率半導體產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展：擁有數(shù)條國產(chǎn)6英寸線、8英寸線功率半導體開始參與；深圳華為、株洲南車、北車永濟、廣東美的、國家電網(wǎng)等國內(nèi)骨干裝備（系統(tǒng)）企業(yè)已啟動投資開發(fā)或建設，以IGBT為代表，實現(xiàn)了先進功率半導體生產(chǎn)目標。

功率半導體是最適合中國發(fā)展的半導體產(chǎn)業(yè)，因為與超大規(guī)模集成電路相比，功率半導體具有資本投資低、生產(chǎn)周期長、市場重要性高等特點。英特爾、三星等半導體行業(yè)壟斷企業(yè)（全球最大的半導體公司有100多家，其中前十大高性能半導體公司僅占全球份額的50%）占據(jù)著高性能半導體市場，但我國功率半導體的發(fā)展有望改變封裝強于芯片、芯片強于設計的現(xiàn)狀。對此，需要加強與整個工程企業(yè)的聯(lián)系，大力發(fā)展工程技術，優(yōu)化市場導向和配套設計，明確工程要支撐芯片開發(fā)，以芯片技術作為半導體發(fā)展的核心動力。而模型之所以弱于芯片，是因為設計性能較差。企業(yè)必須加強技術人才的培養(yǎng)和使用，積極建立產(chǎn)學研合作，積極推動科技型企業(yè)發(fā)展[8]。

我國功率半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展最終取決于IDM功率半導體。目前，我國的生產(chǎn)條件低于國際先進水平。IDM企業(yè)不能受限于自身產(chǎn)品線的產(chǎn)能，不能僅僅依賴國內(nèi)巨大的半導體器件市場。對此，在市場拓展上，以技術為先，逐步從產(chǎn)品改進走向產(chǎn)品創(chuàng)新，推動整機發(fā)展；另外，大力發(fā)展設計能力。我們可以利用先進鑄造線的生產(chǎn)能力，擴大產(chǎn)品線，加快業(yè)務發(fā)展，但同時也可以選擇從芯片到器件、從芯片到模組、從模組到組件的發(fā)展思路。

綜合國際知名功率半導體企業(yè)尤其是功率半導體模塊企業(yè)分析，系統(tǒng)應用完整的IDM企業(yè)擁有得天獨厚的發(fā)展機遇。根據(jù)觀研報告網(wǎng)發(fā)布的《中國功率半導體行業(yè)發(fā)展趨勢調(diào)研與未來前景研究報告（2022-2029年）》顯示，近年來隨著工業(yè)控制、通信和消費電子等核心下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我國功率半導體需求逐漸增多，行業(yè)市場規(guī)模持續(xù)增長。據(jù)數(shù)據(jù)，2021年我國功率半導體市場規(guī)模達183億美元左右，較上年同比增長6.3%。可見，我國在功率半導體發(fā)展方面具有很大前景，而要把握功率半導體發(fā)展機遇，就必須要不斷完善和發(fā)展，相關集成系統(tǒng)企業(yè)要關注提升自身業(yè)務能力，面對國際競爭時，能夠通過技術領域的關鍵鏈條推動我國強大的半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)技術革新，帶動我國的電力電子產(chǎn)業(yè)健康、有序發(fā)展。

總結

我國的功率半導體器件經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歷史，在目前的電力電子市場中，功率半導體器件同時存在多種類型和代系產(chǎn)品，它們有著各自優(yōu)勢和應用價值。然而基于功率半導體器件的發(fā)展情況來對其未來趨勢進行預測時，可以肯定的是，未來輕量化、節(jié)能型、經(jīng)濟型的產(chǎn)品研發(fā)將成為主流趨勢。本文對我國的功率半導體器件發(fā)展提出幾點建議，提出要以技術為支撐和引導，不斷進行產(chǎn)品的創(chuàng)新，加速整機技術和性能改進，還要注重設計能力培養(yǎng)和強化，不斷提升生產(chǎn)能力，加速業(yè)務發(fā)展，構筑發(fā)展新思路，旨在為我國當前的電力電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供一些思路和參考。