變頻器（Inverter）或是轉換器（Converter）等電力轉換裝置，皆使用了功率半導體元件。在現今的市場上，使用SiC、GaN的下一代產品特別引人注目。政府民間同心致力于開發的日本，正在成為開拓新市場的世界先驅。

　　2012年8月30日，昭和電工宣布其功率半導體元件的4吋SiC磊晶晶圓（epitaxial wafer）之生產能力已增加到目前的2.5倍。

　　看見市場的成長

　　使用SiC（碳化硅）的功率半導體元件，對于諸如變頻器（Inverter）等電力轉換裝置的小型化和減少損失是很有效的方式；因此，裝置製造商對于推動產品的開發一直很積極。此次，生產能力增加的塬因是，「家電產品等低電壓、低電流的應用領域正在逐漸產生實際的需求；加上，鐵道車輛、工業設備等高電壓、大電流的開發案件也逐漸在增加」等因素。SiC製的元件與相互競爭的Si製產品相比較，其價格高昂而成為難以普及的瓶頸；如果增加了優良品質磊晶晶圓的供給量，元件成本就可望能降低（圖1）。

　　事實上，在從事SiC元件的開發上，各企業的動作都相當活躍。在這領域中開拓發展最為積極的羅姆（ROHM），于2012年3月召開的說明會上，發表了對于SiC業務相關的前景。根據該報告，2010年的銷售額也僅有17億日圓，到了2011年倍增到35億日圓，預計2012年將達到50億日圓的規模。因此，發表2014年的目標銷售額可以增長到160億日圓。

　　對于SiC元件展開事業的廠商也有不少，例如叁菱電機、富士電機等；各個公司對于營業額的預測抱持著謹慎的態度，對于數年后的目標幾乎沒有表示具體的數字。在ROHM的發表中，的確表明了SiC元件在企業用戶中，從開發階段過渡到實際需求的階段，正在穩步推進中。

　　應用領域多樣化

　　應用功率半導體元件的代表性產品就是變頻器。它是改變直流到交流的電力轉換裝置，使用交流馬達來驅動、就可以因應負載來控制旋轉速度，進而實現了顯著的節能效果。

　　在日本，如空調和洗衣機等已經率先採用。未來，若是也進行導入到工業用馬達，那么，整體龐大的節能效果是可以期待的。因為一般認為，日本的電力消耗約60％是馬達所消耗掉的，其中變頻器的利用率也僅有約10％的程度（圖2）。

　　變頻器、轉換器（從交流轉換為直流）等電力轉換裝置，并不局限于馬達驅動的用途，也能夠運用在各種的應用上。多數用于太陽能電池、固定型蓄電池等直流裝置的智慧型電網（Smart Grid）等，從此就顯得更特別必要。而且，對于充電電池的直流升壓來驅動馬達，是油電混合車（HEV）或電動車（EV）的核心組件。還有，大量使用直流設備的云端資料中心（Data Center），對于小型化具有高效率的電力轉換裝置之需求也是非常強烈（圖3）。

　　成長力道強的功率半導體市場

　　且來看看一般使用于電力轉換裝置的Si製功率半導體市場。2010年的全球半導體市場規模大約是25兆日圓（以1美元等于80日圓換算），其中功率半導體的代表性元件－功率MOSFET大約是5000億日圓，IGBT則約2500億日圓。金額數字目前尚且很小但是成長力道卻不小，依據市調公司IHS iSuppli Japan的資料指出，到2015年，功率MOSFET大約是1兆日圓，IGBT則是成長到約4000億日圓的規模；預估兩者合起來在5年之間完成接近一倍的成長。

　　這個成長的背景不單是先進國家的節能風潮，新興國家的經濟快速成長也是背后的要因。電力轉換裝置在社會的各種場合上逐漸登場而成為生活必需品、伴隨著人口多新興國家的現代化，大量的需求正在發生。

　　Si半導體無論在設計技術或是製造技術都已相當成熟，低價就足以大量生產。它的另一面就是材料特性的起因而造成了性能上的界限，某些應用根本無法使上力。而SiC、GaN等就超越了Si的性能界限，而開拓出新的市場（圖4）。

　　官方民間都來開拓新市場

　　拿SiC、GaN半導體基本特性的帶隙（band gap）與Si相比較，約是其3倍大；絕緣崩潰電場也是高一位數。高溫的環境也可以動作，而流經電流時的阻抗（導通電阻）也很小；換句話說，可以製造出能量損失小的元件（圖5）。

　　在日本的京都大學與產業技術綜合研究所很早就注意到這類的新材料、而進行這方面的基礎研究與元件研究。還有公家研究機關與民間企業間的研究計畫也都在進行中。在2010年，日本經濟產業省、內閣府、產總研、NEDO等機關，啟動了意識更為實用化的嶄新計畫，多數民間企業也參與了計畫。這些計畫有晶圓製造技術、元件技術、系統技術、製造技術；為了涉及多樣化，日本經濟產業省于2010年謀求計畫之間的協力合作，而創建了「SiC聯盟」，讓整體運作更有效率化。

　　這些研究計畫的成果慢慢地顯現出來，在這數年之間，一些公司已經開始向外界發表了新一代功率半導體相關的新產品和新技術。

　　實用化就從二極體開始

　　SiC功率元件的開發，分成二極體與電晶體兩個段階來進行。二極體的構造比較簡單容易製造。最早的產品是德商Infineon Technologies于2001年所發表的。現今，日本國內有叁菱電機、ROHM等7家，包含海外的話計有超過10家公司進入這個市場，銷售各式各樣的產品（表1）。

　　另一方面的電晶體，目前可以說是尚未脫離開發的階段。儘管也有廠商發表了商品化，用途卻是相當局限。由于構造上的復雜造成了生產上的困難、成本也跟著提高，這也是目前最大的課題。

　　一般來說，Si半導體所做成變頻器的二極體部分利用SiC來替換，光是這部分的損失就可以減少15～30％。若是不單是二極體，電晶體也用SiC來替換的話，損失可以減少到50％以下。依據用途上的不同，某些場合還會有更顯著的效果。

　　例如，ROHM今年開始生產的SiC製功率模組，無論是二極體還是電晶體皆是採用SiC的產品，若是與傳統的Si產品來做比較，電力損失約降低了85％（圖6）。

　　活躍的應用研究

　　下一代功率半導體性能卓越、價格卻高。目前的實用化，以系統費用高昂的大型機器來導入會比較容易。其中代表的範例就是鐵路車輛。

　　叁菱電機利用了SiC製功率元件，將鐵路車輛用的變頻器裝置給商品化。具體來說，就是東京地下鐵（東京Metro）銀座線搭載一部車輛，從2012年2月開始實驗的運行（圖7）。利用SiC製功率元件，針對鐵路用變頻器裝置的實用化，據叁菱電機表示這是「全球首次」。

　　其所利用的功率元件是SiC製二極體。若是與利用Si製二極體的情況來比較，鐵道車輛系統全體可以減低約30％的損失。而且，變頻器的體積與重量都可以減少約40％。此外，冷卻機構部分的小型化也可以實現。

　　東芝也在進行同樣的研究，使用SiC製二極體的變頻器裝置，其體積可以減低約60％，若與永磁式同步馬達來組合，約略可以獲得約20％的節能效果。東芝也在2012年中進行搭載的實際鐵道車輛的試運行。

　　汽車製造商也高度關注

　　豐田的油電混合車（HEV）之「Prius」，有一段有名的話語，它使用超過1張六吋晶圓的半導體元件數量。其中，多數的部分是由IGBT、功率MOSFET等功率元件所支配。對于汽車製造商來說，HEV、EV等電動車的比率正在提高中，由于下一代功率半導體之故，正在進行零組件小型化與高效率化的檢討。

　　豐田汽車第3電子開發部（當時）的濱田公守于2012年1月所舉辦的研討會上，就描述了SiC製功率元件的優點之一，即是功率模組的小型化。例如，在IPM（intelligent power module），依據試算的結果，採用了SiC製功率元件，其體積可以減小為2/3～1/3的程度。

　　日產汽車也試作了採用SiC二極體的變頻器電路，搭載在其「X-TRAIL FCV」燃料電池車，早在2008年進行行駛的實驗。同時，本田技術研究所也針對變頻器、轉換器所採用的二極體與電晶體，企圖從Si製全面轉換為SiC製，試作了「全部SiC」的高輸出功率模組。日產、本田技術研究所，是與ROHM共同研究的。

　　應用領域無所不在

　　除了汽車業者之外，也有針對適用于EV的下一代功率半導體的研究。例如，馬達、變頻器的知名大廠─安川電機，也試作了利用SiC製功率元件的EV行駛系統，于2011年1月所舉辦的展示會上展出。而叁菱電機也在2012年3月發表了將SiC製變頻器與馬達一體化的EV用驅動系統（圖8）。

　　此外，叁菱電機、STMicroelectronics等公司也在研究太陽能電池的電力調節器（power conditioner）及微型變頻器。全都是將太陽能電池的直流輸出轉換為交流的裝置。若是利用SiC來替換Si製的功率元件，在電力變換時所產生的損失可以減少數％。由于這個數％直接關係到太陽能電池的發電量，效果非常可觀。

　　而最近受到注目的無線供電系統，也有採用SiC的案例。ROHM于2011年10月的展示會上展示了電場耦合式的50W無線供電裝置，其傳送端的變頻器就是採用了SiC製的晶體（MOSFET）。該變頻器的轉換效率高達95％。

　　改變之處還有音響系統的電源，也有採用SiC的案例。高級汽車音響製造商Bewith公司，于2011年12月的東京車展上，展示了與新日本無線所共同開發，搭載了SiC二極體的功率放大器，有汽車上實際安裝的展示。由于SiC製的二極體反應速度非常快，追隨音量變化的負荷變動相當容易。同時，因為結晶缺陷較少之故，可以抑制漏電流（leak current）；白噪音（white noise）也少。