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日本新技術,能把氧化鎵成本降低99%

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日本新技術,能把氧化鎵成本降低99%

來源:半導體行業觀察


       據日經報道,源自東北大學的初創企業C&A與東北大學教授吉川彰的研發團隊開發出一種技術,能以此前100分之1的成本制造有助于節能的新一代功率半導體的原材料「氧化鎵」。新技術不需要昂貴的設備,成品率也將提高。計劃在2年內制造出實用化所需的大尺寸結晶。
  
  研發團隊開發出了通過直接加熱原料來制造氧化鎵結晶的設備,制造出了最大約5厘米的結晶。將原料裝入用水冷卻的銅質容器,利用頻率達到此前約100倍的電磁波,使原料熔化。
  
  傳統方法是加熱使用貴金屬銥制造的容器,熔化其中的材料,制造結晶。要制造直徑約15厘米的實用性結晶,僅容器就需要3000萬~5000萬日元,還存在結晶的質量不夠穩定等課題。
  
  據稱由于不需要昂貴的容器等原因,利用新方法能以目前約100分之1的成本制造氧化鎵結晶。力爭在2年內制造出直徑15厘米以上的結晶。
  
  現在的功率半導體主要把硅用于基板,但課題是會産生電力損耗。氧化鎵與碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等一起,作為新一代材料受到期待。據稱氧化鎵的電力損耗在理論上僅為硅的約3400分之1、碳化硅的約10分之1。
  
  如果純電動汽車(EV)的馬達驅動用電源采用氧化鎵制的功率半導體,就算電池容量相同,也能行駛更遠距離。C&A和東北大學的團隊將利用新方法降低此前成為瓶頸的生産成本,推動實用化。
  
  功率半導體預測,氧化鎵前景可期
  
  2021年6月,富士經濟對SiC(碳化硅)、Si(硅)功率半導體等下一代功率半導體的全球市場進行了調查。功率半導體市場預計到2030年將達到40471億日元,而2020年為28043億日元。
  
  該調查針對使用SiC、GaN(氮化鎵)、Ga2O3(氧化鎵)和Si功率半導體(例如MOSFET和IGBT)的下一代功率半導體。我們還調查了與功率半導體相關的組件和制造設備市場。調查時間為2020年11月至2021年2月。
  
  2020年,Si功率半導體將占功率半導體市場的大部分,達27529億日元。Si功率半導體在中國市場擴大,但在其他地區,汽車和工業設備的銷售額下降,與2019年相比下降了4.0%。從2021年開始,汽車和5G(第5代移動通信)相關產品的需求有望增加,預計2030年將達到37,981億日元。
  
  預計到2030年,下一代功率半導體市場將達到2490億日元,而2020年為514億日元。雖然市場規模仍然較小,但預計2021年后年增長率仍將接近20%。
  
  FujiKeizai將SiC功率半導體、GaN功率半導體和Ga2O3功率半導體列為未來功率半導體市場感興趣的產品。
  
  SiC功率半導體用于SiC-SBD(肖特基勢壘二極管)、SiC-FET和SiC功率模塊。盡管2020年受到新型冠狀病毒感染的影響,但由于對信息和通信設備和太陽能發電的強勁需求,市場規模同比增長9.6%至493億日元。未來,汽車、鐵路車輛、能源設備、工業設備等的采用將增加,預計到2030年將達到1859億日元。
  
  GaN功率半導體市場預計到2030年為166億日元,而2020年為22億日元。數據中心和5G基站投資將繼續增加,信息通信設備領域有望保持堅挺。預計在2022年后安裝在xEV等汽車上。
  
  Ga2O3功率半導體的市場仍然很小,但預計到2021年開始量產時市場將達到2億日元。與SiC功率半導體和GaN功率半導體相比,具有高耐壓、低損耗等特點,可以降低成本。首先,它將用于消費設備和其他耐壓為600V的應用,預計2025年后將安裝在汽車上。2030年市場規模預計為465億日元。
  
  此外,預計到2030年功率半導體相關組件市場為3752億日元,而2020年為2068億日元。2030年制造設備市場預計為3144億日元,2020年為1449億日元。中國和臺灣市場計劃大力資本投資,預計2021年后需求將主要在亞洲增長。
  
  第三代半導體高速成長GaN功率元件今年產值可望大增9成
  
  研調機構TrendForce調查指出,受惠車用、工業與通訊需求挹注,今年第三代半導體成長動能可望高速回升,又以GaN功率元件成長力道最明顯,預估其今年市場規模將達6100萬美元,年增幅高達90.6%。
  
  2018至2020年,第三代半導體產業陸續受到中美貿易摩擦、疫情等影響,整體市場成長動力不足。不過,TrendForce預期,首先,疫苗問世后疫情有所趨緩,將帶動工業能源轉換所需零組件如逆變器、變頻器等,及通訊基地臺需求回穩;其次,隨著特斯拉Model3電動車逆變器逐漸改采SiC元件制程后,第三代半導體于車用市場逐漸備受重視。
  
  第三,中國政府為提升半導體自主化,今年提出十四五計畫,投入巨額人民幣擴大產能,三大因素都將成為推升今年GaN及SiC等第三代半導體高速成長的動能。
  
  觀察各類第三代半導體元件,GaN元件目前雖有部分晶圓制造代工廠如臺積電、世界先進等,嘗試導入8吋晶圓生產,但目前主力仍以6吋為主。
  
  TrendForce預估,因疫情趨緩,所帶動的5G基地臺射頻前端、手機充電器及車用能源傳輸等需求逐步提升,預期今年GaN通訊及功率元件營收分別達6.8億和6100萬美元,年增30.8%及90.6%。
  
  其中,GaN功率元件成長主要動能來自手機品牌如小米、OPPO、Vivo率先推出快充,筆電廠商也有意跟進。TrendForce預期,GaN元件將持續滲透至手機與筆電配件,且年增率將在2022年達到最高峰,后續隨著廠商采用逐漸普及,成長動能將略為趨緩。
  
  SiC元件部分,由于通訊及功率領域皆需使用該基板,6吋晶圓供應吃緊,預估今年SiC元件于功率領域營收可達6.8億美元,年增32%。目前各大基板商如CREE、II-VI、意法半導體等已陸續開展8吋基板研制計畫,但仍有待2022年后,才有望逐漸紓緩供給困境。
  
  延伸閱讀:日本量產「氧化鎵」4吋晶圓全球首創
  
  根據《日本經濟新聞》日前報導,日本新創公司NovelCrystalTechnology,Inc.在同(16)日宣布,該公司領先全球、成功完成了新一代半導體材料「氧化鎵」(Ga2O3)的4吋(100mm)晶圓量產。
  
  氧化鎵的發展潛力廣受電子業界看好、被視為是新一代的半導體材料。而氧化鎵作為新一代的半導體材料、業界也期待能在電動車領域獲得廣泛應用。
  
  氧化鎵作為新一代電力控制用功率半導體(PowerSemiconductors),除了比起以往的電子元件更有效率,在晶圓價格方面也比SiC等要更為低廉。
  
  依照NovelCrystal目前的規劃,他們估計氧化鎵的晶圓在2021年內就能開始供應。由于客戶們可利用現有的4吋晶圓設備來進行新一代產品的生產,過去投資的老舊設備也可以進行有效利用。
  
  日本從事電子零組件制造、有向NovelCrystal進行投資的田村制作所(TamuraCorporation)的股價也在16日出現漲停。當天股價收在每股701日圓、較上個交易日上漲16.64%或100日圓。
  
  NovelCrystal原本是田村制作所的一部分,在2015年經過分拆之后、成為一家新創公司。
  
  目前除了田村制作所有投資NovelCrystal之外,亞洲最大的平板玻璃制造廠商日本AGC等也都有出資。
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