日本新技术,能把氧化镓成本降低99%

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2022-04-25 09:01

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据日经报道,源自东北大学的初创企业C&A与东北大学教授吉川彰的研发团队开发出一种技术,能以此前100分之1的成本制造有助于节能的新一代功率半导体的原材料「氧化镓」。新技术不需要昂贵的设备,成品率也将提高。计划在2年内制造出实用化所需的大尺寸结晶。


研发团队开发出了通过直接加热原料来制造氧化镓结晶的设备,制造出了最大约5厘米的结晶。将原料装入用水冷却的铜质容器,利用频率达到此前约100倍的电磁波,使原料熔化。

传统方法是加热使用贵金属铱制造的容器,熔化其中的材料,制造结晶。要制造直径约15厘米的实用性结晶,仅容器就需要3000万~5000万日元,还存在结晶的质量不够稳定等课题。

据称由于不需要昂贵的容器等原因,利用新方法能以目前约100分之1的成本制造氧化镓结晶。力争在2年内制造出直径15厘米以上的结晶。


现在的功率半导体主要把硅用于基板,但课题是会産生电力损耗。氧化镓与碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等一起,作为新一代材料受到期待。据称氧化镓的电力损耗在理论上仅为硅的约3400分之1、碳化硅的约10分之1。

如果纯电动汽车(EV)的马达驱动用电源采用氧化镓制的功率半导体,就算电池容量相同,也能行驶更远距离。C&A和东北大学的团队将利用新方法降低此前成为瓶颈的生産成本,推动实用化。


功率半导体预测,氧化镓前景可期


2021年6月,富士经济对SiC(碳化硅)、Si(硅)功率半导体等下一代功率半导体的全球市场进行了调查。功率半导体市场预计到 2030 年将达到 40471 亿日元,而 2020 年为 28043 亿日元。

该调查针对使用SiC、GaN(氮化镓)、Ga 2 O 3(氧化镓)和 Si 功率半导体(例如 MOSFET 和 IGBT)的下一代功率半导体。我们还调查了与功率半导体相关的组件和制造设备市场。调查时间为2020年11月至2021年2月。

2020年,Si功率半导体将占功率半导体市场的大部分,达27529亿日元。Si功率半导体在中国市场扩大,但在其他地区,汽车和工业设备的销售额下降,与2019年相比下降了4.0%。从 2021 年开始,汽车和 5G(第 5 代移动通信)相关产品的需求有望增加,预计 2030 年将达到 37,981 亿日元。

预计到 2030 年,下一代功率半导体市场将达到 2490 亿日元,而 2020 年为 514 亿日元。虽然市场规模仍然较小,但预计2021年后年增长率仍将接近20%。


Fuji Keizai将SiC 功率半导体、GaN 功率半导体和 Ga 2 O 3 功率半导体列为未来功率半导体市场感兴趣的产品。

SiC 功率半导体用于 SiC-SBD(肖特基势垒二极管)、SiC-FET 和 SiC 功率模块。尽管 2020 年受到新型冠状病毒感染的影响,但由于对信息和通信设备和太阳能发电的强劲需求,市场规模同比增长 9.6% 至 493 亿日元。未来,汽车、铁路车辆、能源设备、工业设备等的采用将增加,预计到2030年将达到1859亿日元。

GaN 功率半导体市场预计到 2030 年为 166 亿日元,而 2020 年为 22 亿日元。数据中心和5G基站投资将继续增加,信息通信设备领域有望保持坚挺。预计在2022年后安装在xEV等汽车上。

Ga 2 O 3 功率半导体的市场仍然很小,但预计到2021年开始量产时市场将达到2亿日元。与SiC功率半导体和GaN功率半导体相比,具有高耐压、低损耗等特点,可以降低成本。首先,它将用于消费设备和其他耐压为600V的应用,预计2025年后将安装在汽车上。2030年市场规模预计为465亿日元。

此外,预计到 2030 年功率半导体相关组件市场为 3752 亿日元,而 2020 年为 2068 亿日元。2030年制造设备市场预计为3144亿日元,2020年为1449亿日元。中国和台湾市场计划大力资本投资,预计2021年后需求将主要在亚洲增长。

  • 第三代半导体高速成长GaN功率元件今年产值可望大增9成


研调机构TrendForce调查指出,受惠车用、工业与通讯需求挹注,今年第三代半导体成长动能可望高速回升,又以GaN功率元件成长力道最明显,预估其今年市场规模将达6100万美元,年增幅高达90.6%。

2018 至2020 年,第三代半导体产业陆续受到中美贸易摩擦、疫情等影响,整体市场成长动力不足。不过,TrendForce 预期,首先,疫苗问世后疫情有所趋缓,将带动工业能源转换所需零组件如逆变器、变频器等,及通讯基地台需求回稳;其次,随着特斯拉Model 3 电动车逆变器逐渐改采SiC 元件制程后,第三代半导体于车用市场逐渐备受重视。

第三,中国政府为提升半导体自主化,今年提出十四五计画,投入巨额人民币扩大产能,三大因素都将成为推升今年GaN及SiC等第三代半导体高速成长的动能。

观察各类第三代半导体元件,GaN元件目前虽有部分晶圆制造代工厂如台积电、世界先进等,尝试导入8吋晶圆生产,但目前主力仍以6吋为主。

TrendForce预估,因疫情趋缓,所带动的5G基地台射频前端、手机充电器及车用能源传输等需求逐步提升,预期今年GaN通讯及功率元件营收分别达6.8亿和6100万美元,年增30.8%及90.6%。

其中,GaN 功率元件成长主要动能来自手机品牌如小米、OPPO、Vivo 率先推出快充,笔电厂商也有意跟进。TrendForce 预期,GaN 元件将持续渗透至手机与笔电配件,且年增率将在2022 年达到最高峰,后续随着厂商采用逐渐普及,成长动能将略为趋缓。

SiC元件部分,由于通讯及功率领域皆需使用该基板,6吋晶圆供应吃紧,预估今年SiC元件于功率领域营收可达6.8亿美元,年增32%。目前各大基板商如CREE、II-VI、意法半导体等已陆续开展8吋基板研制计画,但仍有待2022年后,才有望逐渐纾缓供给困境。

  • 延伸阅读:日本量产「氧化镓」4吋晶圆全球首创


根据《日本经济新闻》日前报导,日本新创公司Novel Crystal Technology, Inc. 在同(16) 日宣布,该公司领先全球、成功完成了新一代半导体材料「氧化镓」( Ga 2 O 3 ) 的4 吋(100mm) 晶圆量产。

氧化镓的发展潜力广受电子业界看好、被视为是新一代的半导体材料。而氧化镓作为新一代的半导体材料、业界也期待能在电动车领域获得广泛应用。

氧化镓作为新一代电力控制用功率半导体(Power Semiconductors),除了比起以往的电子元件更有效率,在晶圆价格方面也比SiC 等要更为低廉。

依照Novel Crystal 目前的规划,他们估计氧化镓的晶圆在2021 年内就能开始供应。由于客户们可利用现有的4 吋晶圆设备来进行新一代产品的生产,过去投资的老旧设备也可以进行有效利用。

日本从事电子零组件制造、有向Novel Crystal进行投资的田村制作所(Tamura Corporation)的股价也在16日出现涨停。当天股价收在每股701日圆、较上个交易日上涨16.64%或100日圆。

Novel Crystal 原本是田村制作所的一部分,在2015 年经过分拆之后、成为一家新创公司。

目前除了田村制作所有投资Novel Crystal 之外,亚洲最大的平板玻璃制造厂商日本AGC等也都有出资。


*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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