功率半導(dǎo)體采用新型材料，更能符合節(jié)能需求

市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IMS Research預(yù)測(cè)，全球功率半導(dǎo)體(Power semiconductor)市場(chǎng)在 2011年成長(zhǎng)3.7%之后，2012年將進(jìn)一步成長(zhǎng)5.0%，達(dá)到320億美元規(guī)模。IMS資深分析師AshSharma表示，經(jīng)濟(jì)前景不明朗效應(yīng)將持續(xù)發(fā)酵至2012年，導(dǎo)致2012上半年的功率半導(dǎo)體市場(chǎng)表現(xiàn)與前一年同期相較持平。

 

雖說(shuō)功率半導(dǎo)體整體市場(chǎng)成長(zhǎng)不明顯，不過(guò)部分應(yīng)用市場(chǎng)的表現(xiàn)仍保持強(qiáng)勁，例如智能手機(jī)對(duì)于功率半導(dǎo)體的需求就仍持續(xù)成長(zhǎng)，這也是許多功率半導(dǎo)體業(yè)者鎖定的市場(chǎng)區(qū)隔之一。事實(shí)上，隨著高功能性智能手機(jī)大受歡迎，以及使用者對(duì)于這些手持裝置無(wú)縫體驗(yàn)的使用期待，市場(chǎng)對(duì)于外形尺寸更短小輕薄、耗電量更低以提供更長(zhǎng)電池使用時(shí)間的需求持續(xù)升高。

 

為符合上述需求，功率半導(dǎo)體業(yè)者積極研發(fā)具備更低導(dǎo)通電阻的功率MOSFET，以應(yīng)用于大電流之充電/放電控制、RF功率放大器開/關(guān)控制，以及過(guò)電流截?cái)嚅_關(guān)。

 

降低導(dǎo)通電阻及縮減封裝體積

 

為了符合智能手機(jī)等便攜設(shè)備所使用的電源供應(yīng)器規(guī)格，功率半導(dǎo)體業(yè)者持續(xù)致力于降低導(dǎo)通電阻并開發(fā)更小型的封裝，同時(shí)提供更多樣化的產(chǎn)品系列。例如瑞薩電子便在日前推出專為智能型手機(jī)與平板計(jì)算機(jī)等可攜式電子產(chǎn)品所設(shè)計(jì)的八款新型低損耗P信道與N信道功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(MOSFET)產(chǎn)品。瑞薩表示，此八款新產(chǎn)品月產(chǎn)能將可達(dá)到每月3百萬(wàn)顆。

 

 

 

瑞薩推出縮小封裝的功率半導(dǎo)體

 

瑞薩表示，該公司推出的新款μPA2600與μPA2601 MOSFET，能使便攜設(shè)備更加小型化并提供低導(dǎo)通電阻，同時(shí)在多種應(yīng)用中縮小安裝面積，包括負(fù)載開關(guān)(開啟或關(guān)閉供應(yīng)至IC的電源)、便攜設(shè)備中的充電/放電控制，以及RF功率放大器(高頻率訊號(hào)放大器)中的開/關(guān)控制與過(guò)電流截?cái)嚅_關(guān)等。

 

另外，國(guó)際整流器公司(International Rectifier，IR)日前也推出一系列采用TSOP-6封裝、搭載IR最新低壓HEXFET MOSFET硅技術(shù)的器件，適用于電池保護(hù)與逆變器開關(guān)中的負(fù)載開關(guān)、充電和放電開關(guān)等低功率應(yīng)用。全新的功率MOSFET具備極低的導(dǎo)通電阻，能夠大幅降低傳導(dǎo)損耗。新產(chǎn)品可以作為N及P信道配置里的20V或30V器件，最大柵極驅(qū)動(dòng)從12Vgs到20Vgs不等。

 

IR 亞太區(qū)銷售副總裁潘大偉表示，采用TSOP-6封裝的IR全新功率MOSFET系列擁有極低的導(dǎo)通電阻，因而這些新器件能夠取代封裝尺寸較大的MOSFET，有助于減少電路板面積和系統(tǒng)成本。

 

除關(guān)注智能手機(jī)對(duì)功率半導(dǎo)體的需求外，另一值得觀察的趨勢(shì)是氮化鎵(GaN)與碳化硅(SiC)新材料功率半導(dǎo)體的崛起。

 

氮化鎵降低成本可能性大

 

首先，在碳化鎵部分，根據(jù)IMS Research的最新報(bào)告指出，新興的氮化鎵 (GaN) 功率半導(dǎo)體器件市場(chǎng)價(jià)值雖然在2011年幾乎為零，但預(yù)計(jì)將在2021年增至10多億美元。IMS Research指出該產(chǎn)品的關(guān)鍵市場(chǎng)為電源供應(yīng)器、太陽(yáng)能逆變器、工業(yè)用電動(dòng)機(jī)等。再者，法國(guó)Yole公司預(yù)測(cè)氮化鎵功率器件在2012年的銷售額將達(dá)1000萬(wàn)美元，2012年初將是GaN功率組件市場(chǎng)快速起飛的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而整體市場(chǎng)產(chǎn)值將于2013年達(dá)到5,000萬(wàn)美元規(guī)模，并于2015年快速激增至3億5,000萬(wàn)美元。

 

氮化鎵是一種寬能隙材料，它能夠提供與碳化硅(SiC)相似的性能優(yōu)勢(shì)，但降低成本的可能性卻更大。業(yè)界認(rèn)為，在未來(lái)數(shù)年間，氮化鎵功率器件的成本可望壓低到和硅MOSFET、IGBT及整流器同等價(jià)格。事實(shí)上，在過(guò)去兩年間，氮化鎵功率器件已有明顯進(jìn)展，例如國(guó)際整流器公司 (International Rectifier)已推出GaNpowIR、EPC 推出eGaN FET器件，以及Transphorm推出600伏氮化鎵晶體管等。

 

其中，國(guó)際整流器公司推出的GaNpowIR可滿足市場(chǎng)對(duì)功率MOSFET愈來(lái)愈高的需求，該公司表示，GaNpowIR的FOM能比現(xiàn)在最先進(jìn)的硅MOSFET優(yōu)異十倍，并在眾多不同的應(yīng)用皆有龐大的潛能。國(guó)際整流器全球業(yè)務(wù)資深副總裁Adam White表示，由于硅材料的功率芯片技術(shù)已面臨瓶頸，未來(lái)效能突破空間有限，國(guó)際整流器多年前便已開始投入GaN材料技術(shù)研發(fā)。

 

值得一提的是，為使GaN功率組件擁有較佳的成本結(jié)構(gòu)，包括國(guó)際整流器與EPC兩家公司，均是采用硅基氮化鎵(GaN-on-Silicon)制程技術(shù)，如此一來(lái)，不僅成本可優(yōu)于體塊式氮化鎵(Bulk-GaN)，以硅基氮化鎵制成的高電子遷移率晶體管(HEMT)也可比同級(jí)的SiC組件便宜。除上述業(yè)者外，MicroGaN、Furukawa、GaN System、Panasonic、Sanken和東芝(Toshiba)等業(yè)者也已加入GaN功率半導(dǎo)體領(lǐng)域。

 

碳化硅來(lái)勢(shì)洶洶

 

氮化鎵來(lái)勢(shì)洶洶，碳化硅也不容小覷。例如，英飛凌科技已于 PCIM Europe 2012 展覽中宣布推出最新CoolSiCTM 1200V SiC JFET 系列，進(jìn)一步強(qiáng)化英飛凌在SiC(碳化硅)市場(chǎng)的領(lǐng)先地位。英飛凌高壓功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品部門主管 Jan-Willem Reynaerts表示，英飛凌此次推出的CoolSiCTM能讓太陽(yáng)能逆變器的效能達(dá)到新的水平。

 

 

 

英飛凌推出碳化硅功率半導(dǎo)體

 

他還指出，相較于IGBT，全新的CoolSiCTM 1200V SiC JFET 大幅降低切換耗損，可應(yīng)用更高的切換頻率，不需犧牲系統(tǒng)整體的效率。因此能夠使用體積更小的被動(dòng)組件，進(jìn)一步縮小整體解決方案的體積與重量，并降低系統(tǒng)成本。換句話說(shuō)，該解決方案能夠讓相同體積的逆變器達(dá)到更高的輸出功率。除英飛凌外，另如科銳(Cree)、快捷(Fairchild)、包爾英特等也都已投入碳化硅功率半導(dǎo)體研發(fā)領(lǐng)域。

 

基本上，氮化鎵及碳化硅在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的崛起，主因在于，相較于傳統(tǒng)以硅為材料的功率半導(dǎo)體，這兩項(xiàng)新材料具有更低的導(dǎo)通電阻及更高的切換速度，更能符合日益嚴(yán)苛的能源效率要求，因此前景頗受看好，預(yù)料市場(chǎng)版圖將持續(xù)擴(kuò)大。