功率半導(dǎo)體采用新型材料 更能符合節(jié)能需求

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

雖說功率半導(dǎo)體整體市場成長不明顯，不過部分應(yīng)用市場的表現(xiàn)仍保持強勁，例如智能手機對于功率半導(dǎo)體的需求就仍持續(xù)成長，這也是許多功率半導(dǎo)體業(yè)者鎖定的市場區(qū)隔之一。事實上，隨著高功能性智能手機大受歡迎，以及使用者對于這些手持裝置無縫體驗的使用期待，市場對于外形尺寸更短小輕薄、耗電量更低以提供更長電池使用時間的需求持續(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，以及過電流截斷開關(guān)。

降低導(dǎo)通電阻及縮減封裝體積

為了符合智能手機等便攜設(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與平板計算機等可攜式電子產(chǎn)品所設(shè)計的八款新型低損耗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μPA2601MOSFET，能使便攜設(shè)備更加小型化并提供低導(dǎo)通電阻，同時在多種應(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(高頻率訊號放大器)中的開/關(guān)控制與過電流截斷開關(guān)等。

另外，國際整流器公司(InternationalRectifier，IR)日前也推出一系列采用TSOP-6封裝、搭載IR最新低壓HEXFETMOSFET硅技術(shù)的器件，適用于電池保護與逆變器開關(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)注智能手機對功率半導(dǎo)體的需求外，另一值得觀察的趨勢是氮化鎵(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)IMSResearch的最新報告指出，新興的氮化鎵(GaN)功率半導(dǎo)體器件市場價值雖然在2011年幾乎為零，但預(yù)計將在2021年增至10多億美元。IMSResearch指出該產(chǎn)品的關(guān)鍵市場為電源供應(yīng)器、太陽能逆變器、工業(yè)用電動機等。再者，法國Yole公司預(yù)測氮化鎵功率器件在2012年的銷售額將達(dá)1000萬美元，2012年初將是GaN功率組件市場快速起飛的轉(zhuǎn)折點，而整體市場產(chǎn)值將于2013年達(dá)到5,000萬美元規(guī)模，并于2015年快速激增至3億5,000萬美元。

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，但降低成本的可能性卻更大。業(yè)界認(rèn)為，在未來數(shù)年間，氮化鎵功率器件的成本可望壓低到和硅MOSFET、IGBT及整流器同等價格。事實上，在過去兩年間，氮化鎵功率器件已有明顯進(jìn)展，例如國際整流器公司(InternationalRectifier)已推出GaNpowIR、EPC推出eGaNFET器件，以及Transphorm推出600伏氮化鎵晶體管等。

其中，國際整流器公司推出的GaNpowIR可滿足市場對功率MOSFET愈來愈高的需求，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。國際整流器全球業(yè)務(wù)資深副總裁AdamWhite表示，由于硅材料的功率芯片技術(shù)已面臨瓶頸，未來效能突破空間有限，國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，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)也可比同級的SiC組件便宜。除上述業(yè)者外，MicroGaN、Furukawa、GaNSystem、Panasonic、Sanken和東芝(Toshiba)等業(yè)者也已加入GaN功率半導(dǎo)體領(lǐng)域。

碳化硅來勢洶洶

氮化鎵來勢洶洶，碳化硅也不容小覷。例如，英飛凌科技已于PCIMEurope2012展覽中宣布推出最新CoolSiCTM1200VSiCJFET系列，進(jìn)一步強化英飛凌在SiC(碳化硅)市場的領(lǐng)先地位。英飛凌高壓功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品部門主管Jan-WillemReynaerts表示，英飛凌此次推出的CoolSiCTM能讓太陽能逆變器的效能達(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CoolSiCTM1200VSiCJFET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，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)料市場版圖將持續(xù)擴大。