日本厂商推进EV半导体用氮化镓基板的量产
日本企业已开始推进新材料纯电动汽车(EV)用半导体的量产。如果在用于电力控制的功率半导体中使用氮化镓(GaN)作为原材料,EV的续航能力将变长。为了在EV上采用氮化镓半导体,日本住友化学等正在加速半导体基板的大型化和低成本化。
在功率半导体中,与传统的硅造相比,电力损失较少、电力利用效率更高的半导体被认为是新一代产品。除氮化镓之外,还使用碳化硅(SiC)等。氮化镓和碳化硅在EV用途上形成竞争。预计将用于车载充电器和逆变器,需要应对大电流和高电压。
氮化镓的电力损失很少。有估算称从EV的充电时间来看,如果说硅为90分钟,那么碳化硅为20分钟,氮化镓则为5分钟。但在面向EV领域,目前由于成本低等原因,碳化硅已有被采用的案例,处于领先。
三菱化学的氮化镓事业开发部部长藤户健史表示,“能否争取到EV用途,将成为氮化镓普及的关键”。为此,有必要开发大口径的基板。
氮化镓半导体通过在基板上使氮化镓晶体生长而制造。随着电路板尺寸的加大,可以用一块电路板制造更多半导体,从而降低生产成本。
日本企业正在致力于开发大型氮化镓基板。住友化学构建了直径50毫米、100毫米的量产体制。最早将于年内启动被认为用于汽车最低需要的150毫米大小的样品评估,力争在2028年度内实现量产。
住友化学拥有使结晶快速、厚实生长的技术。以在激光二极管等领域积累的量产技术为优势,“致力于面向功率半导体的150毫米、200毫米基板的开发”,(住友化学尖端无机产品事业部SICOXS特命的斋藤俊也)。
三菱化学将制造成本降至十分之一
三菱化学集团已开始对100毫米基板进行样品评估。预计2025年内开始150毫米评估。将通过大型设备一次性大量制造,借此提高生产效率。预计生产成本与传统方法相比最多可降至10分之1左右。力争2030年度在功率半导体领域实现100亿日元左右的营业收入。
氮化镓半导体根据电流的流动方向大致分为两种。目前正在推进实用化的是在硅基板等之上形成氮化镓晶体、使电流横向流动的“水平型”。但是这种结构很难应对EV要求的大电流和高电压。
还有一种是基板材料也采用氮化镓、在上面堆叠氮化镓、电流垂直通电的“垂直型”。垂直型可应对高电压,但基板的大型化被认为实现困难,高成本也成为课题。
日本企业希望在垂直型的半导体领域抢先推进开发,掌握主导权。丰田合成推进从籽晶到基板、固体电路组合元件的一条龙开发。为了使氮化镓晶体生长,使用成为基础的籽晶。丰田合成在爱知县的基地增建生长炉,到2025年3月将籽晶的产能最多提高至目前的10倍。
丰田合成将与三菱化学集团等针对从籽晶到基板的量产开展合作。负责氮化镓事业的守山实希表示,“即使在材料开发中发现问题,也可以通过固体电路组合元件进行弥补,通过一条龙体制,可以提高开发效率”。
以独特方法致力于基板的大型化的是信越化学工业。不采用氮化镓,而是使用氮化铝等材料的基板,在上面制作氮化镓晶体。到9月为止成功进行了300毫米的开发,设想使用对象为水平型,但也正在开发面向垂直型的200毫米基板的制造技术。
要普及氮化镓半导体,在使基板大口径化的同时,研磨等基板加工技术也很重要。因为氮化镓是坚硬的材料,据称研磨所需时间达到碳化硅的3~4倍。需要在整个过程降低成本。
全球3400亿日元的市场
有观点认为氮化镓的物质特性可以弥补价格的过高。在制造具有相同特性的半导体之际,“氮化镓只需碳化硅的约三分之一面积即可制造,因此有客户表示,即使在基板上存在3倍的价格差距也可以接受”(三菱化学氮化镓事业开发部部长藤户健史),打算彰显以较小面积发挥性能的优势。
氮化镓一直被用于蓝色发光二极管(LED)等。之后在功率半导体领域,以水平型为中心,搭载于智能手机充电器等。英国调查公司Omdia预测称,到2030年,全球氮化镓固体电路组合元件市场将超过23亿美元,相比2023年增至11倍以上。
日本以外的竞争企业也在推进开发,在氮化镓基板领域,中国企业也在崛起。此外,大企业收购新兴企业的动向也在加强。企业合作也在全世界范围内推进,信越化学工业正在与OKI进行合作。
日本企业能否提高在世界上的地位,关键在于能否开拓数量值得期待的EV市场。在面向EV的功率半导体中,氮化镓被选中,日本企业将在基板和固体电路组合元件方面掌握主导权。为了这个目标,需要在大口径和高品质方面保持世界领先地位,迅速向汽车和电池厂商提出解决方案。
日本经济新闻(中文版:日经中文网)冈田江美、藤生贵子、向野崚
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