日本企業(yè)已開始推進(jìn)新材料純電動(dòng)汽車(EV)用半導(dǎo)體的量產(chǎn)。如果在用于電力控制的功率半導(dǎo)體中使用氮化鎵(GaN)作為原材料，EV的續(xù)航能力將變長(zhǎng)。為了在EV上采用氮化鎵半導(dǎo)體，日本住友化學(xué)等正在加速半導(dǎo)體基板的大型化和低成本化。

在功率半導(dǎo)體中，與傳統(tǒng)的硅造相比，電力損失較少、電力利用效率更高的半導(dǎo)體被認(rèn)為是新一代產(chǎn)品。除氮化鎵之外，還使用碳化硅(SiC)等。氮化鎵和碳化硅在EV用途上形成競(jìng)爭(zhēng)。預(yù)計(jì)將用于車載充電器和逆變器，需要應(yīng)對(duì)大電流和高電壓。

氮化鎵的電力損失很少。有估算稱從EV的充電時(shí)間來(lái)看，如果說(shuō)硅為90分鐘，那么碳化硅為20分鐘，氮化鎵則為5分鐘。但在面向EV領(lǐng)域，目前由于成本低等原因，碳化硅已有被采用的案例，處于領(lǐng)先。

三菱化學(xué)的氮化鎵事業(yè)開發(fā)部部長(zhǎng)藤戶健史表示，“能否爭(zhēng)取到EV用途，將成為氮化鎵普及的關(guān)鍵”。為此，有必要開發(fā)大口徑的基板。

氮化鎵半導(dǎo)體通過(guò)在基板上使氮化鎵晶體生長(zhǎng)而制造。隨著電路板尺寸的加大，可以用一塊電路板制造更多半導(dǎo)體，從而降低生產(chǎn)成本。

日本企業(yè)正在致力于開發(fā)大型氮化鎵基板。住友化學(xué)構(gòu)建了直徑50毫米、100毫米的量產(chǎn)體制。最早將于年內(nèi)啟動(dòng)被認(rèn)為用于汽車最低需要的150毫米大小的樣品評(píng)估，力爭(zhēng)在2028年度內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

住友化學(xué)擁有使結(jié)晶快速、厚實(shí)生長(zhǎng)的技術(shù)。以在激光二極管等領(lǐng)域積累的量產(chǎn)技術(shù)為優(yōu)勢(shì)，“致力于面向功率半導(dǎo)體的150毫米、200毫米基板的開發(fā)”。住友化學(xué)尖端無(wú)機(jī)產(chǎn)品事業(yè)部SICOXS特命的齋藤俊也表示。

三菱化學(xué)將制造成本降至十分之一

三菱化學(xué)集團(tuán)已開始對(duì)100毫米基板進(jìn)行樣品評(píng)估。預(yù)計(jì)2025年內(nèi)開始150毫米評(píng)估。將通過(guò)大型設(shè)備一次性大量制造，借此提高生產(chǎn)效率。預(yù)計(jì)生產(chǎn)成本與傳統(tǒng)方法相比最多可降至10分之1左右。力爭(zhēng)2030年度在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)100億日元左右的營(yíng)業(yè)收入。

氮化鎵半導(dǎo)體根據(jù)電流的流動(dòng)方向大致分為兩種。目前正在推進(jìn)實(shí)用化的是在硅基板等之上形成氮化鎵晶體、使電流橫向流動(dòng)的“水平型”。但是這種結(jié)構(gòu)很難應(yīng)對(duì)EV要求的大電流和高電壓。

日本企業(yè)希望在垂直型的半導(dǎo)體領(lǐng)域搶先推進(jìn)開發(fā)，掌握主導(dǎo)權(quán)。豐田合成推進(jìn)從籽晶到基板、固體電路組合元件的一條龍開發(fā)。為了使氮化鎵晶體生長(zhǎng)，使用成為基礎(chǔ)的籽晶。豐田合成在愛知縣的基地增建生長(zhǎng)爐，到2025年3月將籽晶的產(chǎn)能最多提高至目前的10倍。

豐田合成將與三菱化學(xué)集團(tuán)等針對(duì)從籽晶到基板的量產(chǎn)開展合作。負(fù)責(zé)氮化鎵事業(yè)的守山實(shí)希表示，“即使在材料開發(fā)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，也可以通過(guò)固體電路組合元件進(jìn)行彌補(bǔ)，通過(guò)一條龍?bào)w制，可以提高開發(fā)效率”。

以獨(dú)特方法致力于基板的大型化的是信越化學(xué)工業(yè)。不采用氮化鎵，而是使用氮化鋁等材料的基板，在上面制作氮化鎵晶體。到9月為止成功進(jìn)行了300毫米的開發(fā)，設(shè)想使用對(duì)象為水平型，但也正在開發(fā)面向垂直型的200毫米基板的制造技術(shù)。

要普及氮化鎵半導(dǎo)體，在使基板大口徑化的同時(shí)，研磨等基板加工技術(shù)也很重要。因?yàn)榈壥菆?jiān)硬的材料，據(jù)稱研磨所需時(shí)間達(dá)到碳化硅的3～4倍。需要在整個(gè)過(guò)程降低成本。

全球3400億日元的市場(chǎng)

有觀點(diǎn)認(rèn)為氮化鎵的物質(zhì)特性可以彌補(bǔ)價(jià)格的過(guò)高。在制造具有相同特性的半導(dǎo)體之際，“氮化鎵只需碳化硅的約三分之一面積即可制造，因此有客戶表示，即使在基板上存在3倍的價(jià)格差距也可以接受”。三菱化學(xué)氮化鎵事業(yè)開發(fā)部部長(zhǎng)藤戶健史表示，打算彰顯以較小面積發(fā)揮性能的優(yōu)勢(shì)。

氮化鎵一直被用于藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)等。之后在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，以水平型為中心，搭載于智能手機(jī)充電器等。英國(guó)調(diào)查公司Omdia預(yù)測(cè)稱，到2030年，全球氮化鎵固體電路組合元件市場(chǎng)將超過(guò)23億美元，相比2023年增至11倍以上。

日本以外的競(jìng)爭(zhēng)企業(yè)也在推進(jìn)開發(fā)，在氮化鎵基板領(lǐng)域，中國(guó)企業(yè)也在崛起。此外，大企業(yè)收購(gòu)新興企業(yè)的動(dòng)向也在加強(qiáng)。企業(yè)合作也在全世界范圍內(nèi)推進(jìn)，信越化學(xué)工業(yè)正在與OKI進(jìn)行合作。

日本企業(yè)能否提高在世界上的地位，關(guān)鍵在于能否開拓?cái)?shù)量值得期待的EV市場(chǎng)。在面向EV的功率半導(dǎo)體中，氮化鎵被選中，日本企業(yè)將在基板和固體電路組合元件方面掌握主導(dǎo)權(quán)。為了這個(gè)目標(biāo)，需要在大口徑和高品質(zhì)方面保持世界領(lǐng)先地位，迅速向汽車和電池廠商提出解決方案。