[原创] 日本半导体的一张王牌
2019-12-04
14:00:03
来源: 半导体行业观察
来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自「
pcwatch
」，
谢谢。
因为最近松下的退出，很多人又开始对日本半导体产业的现状了更多的关注。在很多人眼里，现在的日本基本没有什么大型的半导体企业（半导体厂家）。尤其是DRAM厂商在经历了20世纪80年代辉煌一时，到2000年左右的断崖式下滑，再到2000年以后日本的仅剩的DRAM厂ELPIDA（尔必达）成为了Micron Technology的一部分，日本半导体产业似乎没有太多能拿得出手的企业。
但其实这只是大家对日本半导体的误解。例如之前说了太多的CMOS图像传感器供应商索尼，硅晶圆供应商信越等，另外日本的半导体设备供应商东京电子在全球也是非常有名。除此之外，现在也有一些领域是日本半导体厂商很厉害的。那就是功率元件（Power Device）。
什么是功率器件
功率元件也被称为功率（Power）半导体元件（Device）、或者功率（Power）半导体。它与存储半导体、微处理器（Micro Processor）的区别是：存储半导体、微处理器等半导体元件需要处理信号（Data），而功率半导体元件需要处理电力
。
所有的电子设备都装有功率元件，包括PC、服务器（Server）、智能手机、平板电脑、存储器（Storage）、打印机、TV、空调、冰箱、洗衣机等等。我们身边的所有电子设备也都内置有功率元件。为什么呢？因为所有的电子设备都需电源线路，而电源线路又必须带有功率元件。
功率元件的领域极其广泛，通过利用可充电锂电池、或干电池驱动的可移动设备仅仅适用5V以下的较低电压、数十毫安的较小电流。即便如此，电源线路的元件也是十分出色的功率元件。另一方面，混合动力汽车的电压高达200V-600V，此外，铁路的电压达到1,500V也是十分常见的。
处理电源、马达驱动线路的电力线路及其应用的器件被称为功率电子（Power Electronics）。功率电子处理的电压及电力当然非常广泛。低电压约为10V以下，高电压约接近10万V。较低的电力容量不足0.01Kva（10VA），较高的电力容量会超过1万kVA。对于功率电子要求的规格（如低成本、低损耗、小型号、轻巧化）的基本方向是共通的，牵涉到具体数值，因用途不同而不同。
功率元件也与一般的半导体一样，有市场上销售的一般产品和客户定制的产品。市场销售的普通功率元件一般不耐高压、且容量小。而客户定制的功率元件一般耐高压、且容量大。日本的功率半导体企业尤其擅长的是耐高压、容量大的客户定制产品。
功率元件与一般的半导体元件有几个地方是不同的。其中，最大的不同点应该是“功率元件是离散半导体（Discrete）、或者说是较小的IC”，此处的“离散半导体”也就是二极管和晶体管。二极管是和晶体管一样重要的元件，对功率电子来说都是不可或缺的。
构成功率电子线路的主要半导体元件有5种，其中3种为晶体管（功率晶体管，Power Transistor）、其中2种为二极管（功率二极管、Power Diode）。
功率晶体管大致可以分为晶闸管（Thyristor）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管，即Insulated Gate Bipolar Transistor）、功率MOS FET。
从历史来看，晶闸管（Thyristor）的历史最悠久。
可以说，晶闸管（Thyristor）的发明揭开了功率电子的历史。接下来登场的是MOS FET。晶闸管（Thyristor）为双极型器件（Bipolar Device，pnpn Switch），与之相对，功率MOS FET是单极型器件 (Unipolar Device,主要为n沟道型FET)，且进行高速运作。但是，耐电压性和电力容量远远不及晶闸管（Thyristor）。
后来，兼具晶闸管与MOS FET优点（耐高压、速度快）的IGBT登场了。IGBT比晶闸管的运作速度还要快，比功率MOS FET的耐电压性还要良好。最近，IBGT的耐电压性逐步发展，正在夺取晶闸管的市场。
二极管主要有pin连接二极管和肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode，SBD），pin连接二极管耐电压性良好、电流容量大、逆Bias（偏压）的释放（Leak）电流较小。SBD的耐电压性较低，逆Bias（偏压）的释放电流虽然稍微有点大，但是，由于顺电压下降较少，高频率性比较优秀。
对于功率半导体元件来说，最重要的性能是功率，换句话说是“较低的功耗”。损耗分为“导通损耗”、“开关（Switching）损耗”。
所谓“导通损耗”功率元件在ON状态（即电流流通的状态）下产生的损耗。理想情况下，ON状态的功率元件的电阻为0，其实并不是。不仅存在电阻，而且电阻还会产生电力的损耗。这种电阻被称为“ON电阻”。功率元件要求最大限度地降低“ON电阻”。
所谓“开关损耗”指的是功率元件从ON状态切换到OFF状态（或者相反）时产生的损耗。开关损耗与元件的输入容量和开关的频率成比例。功率元件不仅要求降低元件的输入容量，还要求缩短开关所需要的时间
。
另一个重要的性能是耐电压性（耐压性），如果想提高耐电压性，需要提高ON电阻、延长开关时间。ON电阻、开关时间、耐电压性之间存在折中（Trade Off）关系，可以说，功率元件的开发其实就是提高三者的平衡点。
硅功率半导体的发展几乎接近极限
上述功率元件主要是由硅（
Si）材料制成的，关于除硅以外的材料的研发，自2
0
年前就开始研究能隙（
E
nergy
B
and
G
ap）比硅更广的半导体，最近终于开始实际应用了，一般称为“Wide
G
ap半导体（宽能隙半导体）”、“
WBG(Wide Band Gap)
”。
推进Wide Gap半导体（宽能隙半导体）研发的理由是：业界普遍认为随着硅制功率元件研发的进展，其性能逐渐接近极限值。上文中提到的ON电阻和耐电压的关系可以说是Trade-off（此消彼长）、极其严峻。理论上来讲，它们的关系由能隙（Energy Band Gap） （以下简称为“能隙”）决定，同样是ON电阻，能隙较细的材料的绝缘破坏电场较小，耐电压性较低。硅制功率元件经过不断改良，其材料逐渐接近临界值。通过在晶体管的结构上下功夫，功率MOS FET（Super Junction MOS FET）突破了材料的极限值（降低了ON电阻）,但是，由于结构变得复杂，导致生产成本较高。
Super Junction MOS FET的ON电阻和耐电压的关系。
上图的横轴为耐电压数值、纵轴为ON电阻。越向右下角，性能越好。黑色曲线是硅的极限值。右下角的“Super MOS”是富士电机开发的“Super Junction MOS FET”。本图出自富士电机关于功率MOS FET的说明资料。（图片出自：pc.watch）
于是，开始研发用能隙较宽的半导体材料（不用硅）开发功率元件，并希望可以超过硅的极限值。
用于功率元件的“Wide Gap半导体（宽能隙半导体）”中，已经有2种材料开始被实际采用。其一是碳化硅（Silicon Carbide，SiC），另一个是氮化镓（GaN）。关于能隙，硅为1.1e V（电子伏特,Electron Volt），SiC为3.3e V,GaN为3.4e V，几乎是硅的3倍。
三者的能隙不同，介质击穿（Dielectric Breakdown）也相当不同。Si为0.3MV/cm，SiC为2.5MV/cm～3.0MV/cm，GaN约为3.3MV/cm，几乎是硅的10倍。这些“Wide Gap半导体（宽能隙半导体）”在同样厚度的情况下，耐电压性比硅好；如果是相同的耐电压性，则半导体晶圆的厚度可以缩小到1/10。如果半导体晶圆的厚度变薄，ON电阻就会降低，因此，电力损耗（导通损耗）也会降低。
主要的用于功率元件的半导体材料的耐电压和ON电阻的关系（理论值），资料出自2013年尖端技术大奖 特别获奖论文《氧化氧化镓功率半导体的研究开发》（信息通信研究机构、田村制作所、光波）（图片出自：pc.watch）
S
i
C和
Ga
N
二者
各具优势，
各行其道
当初人们曾以为SiC制功率半导体和GaN制功率半导体会在市场上形成竞争。但是，现在，二者分工明确。其理由主要是元件的构造不同。
SiC的实用化起始于肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode，SBD）和功率MOS FET，都是纵型元件，兼具大电流和耐高压的特性。通过用SiC的SBD替换硅制pin二极管、用SiC功率MOS FET替换硅制IGBT，在市场上广泛地应用。SiC元件与硅元件相比，ON电阻较低，因此可以通过替换硅元件来减少电力损耗。
GaN通过高电子迁移率晶体管（HEMT : High Electron Mobility Transistor）得以实际应用，由于是横型的元件，虽然高速运作，但是与SiC相比，耐电压性、电流容量都较低。通过替换硅制的高速、高频功率MOS FET，推进其商业化。与硅相比，ON电阻比较低，通过替换降低电力损耗。
SiC元件和GaN元件最大的课题就是生产成本。生产成本高的原因在于晶圆（Wafer）的成本高。SiC也可以用做晶圆（Wafer），因此，比较容易生产纵型的元件。但是，晶圆（Wafer）的成本极高，每平方cm的价格约为1,500日元（约人民币90元）以上。而每平方cm的硅的成本还不足100日元（约人民币6元）。几乎相差15倍！
而GaN价格更高！GaN晶圆的成本约为每平方cm4万日元（约人民币2,400元）以上。如果使用GaN晶圆的话，GaN制的功率元件就没什么优势了，于是就可以使用蓝宝石（Sapphire）、硅等比GaN便宜的晶圆。但是，为减少“晶格常数（Lattice Constant）”的差异，需要制作缓冲（Buffer）层，结果就无法制作纵型元件，就会变成横型元件，因此，GaN功率元件的耐电压性和电流都比较低，但可用于需要高速运作的方面。
Si和SiC、GaN功率元件的应用领域，横轴为开关周波数，纵轴为电力。上图出自Texas Instruments的功率元件相关的资料。（图片出自：pc.watch）
此外，当前，作为用于第三功率元件的宽能隙半导体--氧化镓（Ga2O3）备受瞩目,而且日本引领着氧化镓功率元件的研发。不过，起到带头作用的并不是三菱电机、富士电机这样的大企业，带头研发的是与政府挂钩的研究机构、大学、投资企业等。
备受欢迎的
氧化镓
氧化镓是继碳化硅和氮化镓之后的
“第三代用于功率元件的宽禁带半导体”。
这种材料
原本不是用于功率元件的，最初是计划用于
LED（发光二极管）基板、深紫外光（Deep Ultra Violet）受光素子等而进行研发的。
但是以上这些用途的研发规模较小，绝对称不上是“热潮”！
为此在最近十年（
2010年或者2011年至今
），研究人员开始把这个材料
应用于功率半导体方向
，引爆
全球研发的热潮。
从数据上看，氧化镓的损耗理论上是硅的1/3,000、碳化硅的1/6、氮化镓的1/3。
比较了一下“定量评价功率元件理论性能的指数（性能指数）”，氧化镓是硅的3,000倍，是碳化硅的6倍，是氮化镓的3倍。作为功率元件的理论的性能指数，采用的最近频繁使用的“Baliga`s FMO（Figure of Merits）”进行的评价。
Baliga性能指数是由原在美国General Electric从事多年功率半导体研发工作、现在美国北卡罗莱纳州州立大学担任名誉教授的Jayant Baliga先生提出的。用于Power MOS FET等单极元件(Unipolar Device)的性能评价。有将低频的理论损耗定量化的“BFOM (Baliga`s Figure of Merits)”和将高频的理论损耗定量化的“BHFFOM(Baliga`s High Frequency Figure of Merits)”。在功率半导体的研发领域，一般多实用低频的BFOM。
因为拥有如此多的优势，氧化镓被看作一个比氮化镓拥有更广阔前景的技术。
据市场调查公司--富士经济于2019年6月5日公布的Wide Gap 功率半导体元件的全球市场预测来看，2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1,542亿日元（约人民币92.76亿元），这个市场规模要比氮化镓功率元件的规模（1,085亿日元，约人民币65.1亿元）还要大！
具体数字虽然没有公布，从下图市场预测图表中，可以看出在2050年时间点，氧化镓超过氮化镓，氧化镓的未来可期！
但对氮化镓而言，还有一个继续解决的问题，那就是价格问题。
我们知道。功率元件与一般的半导体元件相比，他，嗯晶圆占据了元件的较大一部分生产成本。晶圆成本（每单位面积）最低的当然是硅，每平方cm（100平方mm）的晶圆成本不足100日元（约人民币6元）。
Wide Gap（宽禁带）半导体的代表--碳化硅晶圆的成本（每平方cm）为1,500多日元（约人民币90元），据说氮化镓的成本会超过4万日元（约人民币2,400元）。分别是硅的15倍、400倍。
碳化硅和氮化镓的晶圆成本之所以高在于其不同的生产方法。硅晶圆是从溶液状态到块状（Bulk）单结晶形成的，然而，碳化硅和氮化镓很难做成溶液，从生产技术来看，量产性较低、难以实现大面积化。最大的问题是看不到可以降低成本的可能性。
可以从溶液状态转化到块状（Bulk）单结晶的蓝宝石晶圆成为了代替品，蓝宝石晶圆的成本（每平方cm）在450日元（约人民币27元）左右，虽然比硅的价格高，但比碳化硅的价格低。因此，目前氮化镓功率元件多使用蓝宝石晶圆、硅晶圆来制造。
氧化稼和蓝宝石一样，可以从溶液状态转化成块状（Bulk）单结晶状态。实际上，通过运用与蓝宝石晶圆生产技术相同的EFG（Edge-defined Film-fed Growth）方法，正在试做最大直径为4英寸（100mm）的晶圆。直径为2英寸（50mm）的晶圆已经开始销售给研究开发方向的用途。
目前，氧化稼晶圆的结晶质量不太好，但是，还有充足的改良空间，此外，正在通过运用与硅晶圆同样的浮动区法(Floating Zone)、晶体提拉法（CZ:Czochralski）来测试块状（Bulk）单结晶的生长。
因此，理论上不仅可以通过运用EFG方法来实现与蓝宝石晶圆接近的成本，未来还有可能进一步降低成本。
功率元件方面
的日本
代表性企业
和
团体
在功率元件方面占据优势的日本半导体企业有：
三菱电机、富士电机、日立功率元件、东芝电子元件与存储器件等等。
中坚企业有罗姆、产研电气、新电元工业等等。
比方说，市场调查公司Yole Developpement在2017年8月份公布了具有代表性功率元件--IGBT的top 5公司，耐压为2,500V-3,000V范围内的TOP1 企业为三菱电机、TOP2为富士电机、TOP4为日立功率元件。耐压为600V情况下，TOP3为三菱电机、TOP4为富士电机。IGBT的耐压为400V以下的话，TOP3为东芝电子元件与存储器件，TOP5为罗姆。
按照IGBT的耐压特性来看各家企业的市场排名。此表出自市场调查公司Yole Developpement公布的资料。（图片出自：pc.watch）
而在氧化镓方面，日本在元件、基板等方面的研发全球领先。但据了解，研究氧化镓功率元件、并进行开发的并不是现在的大型、中型功率半导体企业！也就是说并不是我们所熟悉的三菱电机、富士电机、日立Power Device、东Device&Storage、罗姆、三星电子、新电元工业等企业。而是一些小企业。
资料显示， 日本的功率元件方向的氧化镓研发始于以下三位：国立研究开发法人--信息通信研究机构（NICT：National Institute of Information and Communications Technology）的东胁正高先生、京都大学的藤田静雄教授、田村（Tamura）制作所的仓又朗人先生。
NICT的东胁先生于2010年3月结束在美国大学的赴任并回日本，以氧化镓功率元件作为新的研发主题并进行构想。京都大学的藤田教授于2008年发布了氧化镓深紫外线检测和Schottky Barrier Junction、蓝宝石（Sapphire）晶圆上的晶膜生長（Epitaxial Growth）等研发成果后，又通过利用独自研发的薄膜生产技术（Mist CVD法）致力于研发功率元件。仓又先生在田村（Tamura）制作所负责研发LED方向的氧化镓单结晶晶圆，并考虑应用到功率半导体方向。
三人的接触与新能源·产业技术综合开发机构（NEDO）于2011年度提出的“节能革新技术开发事业—挑战研发（事前研发一体型）、超耐高压氧化镓功率元件的研发”这一委托研发事业有一定关联，接受委托的是NICT、京都大学、田村制作所等。可以说，由此开启了功率元件的正式研发。
后来，NICT和田村制作所合作成立了风险投资企业“Novel Crystal Technology”，京都大学成立了风险投资企业“FLOSFIA”。现在，两家公司都是日本氧化镓研发的中坚企业。
自2012年以后，业界不断公布关于氧化稼功率元件的研发、试做成果。迄今为止，已经试做了横型MES FET、横型MOS FET、Normally Off的纵型MIS FET。在SBD的试做中，已经证明了ON电阻比碳化硅的SBD低得多！在初级试验阶段就可以证明其性能超过碳化硅功率元件，这真是了不起！而现在参加研发的日本企业持续增加，且正在呈现出“All Japan”的景象。
随着电动车和各种绿化智能的需求成为主流，功率器件的重要程度日益提高，但这能否成为日本半导体卷土重来的底气，那就有待后续观察了。但从现在看来，中国大陆、美国、欧洲和大陆的功率器件竞赛已然拉开帷幕。
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