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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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