[原创] 日本功率半导体，又领先一步

日本在半导体材料领域一直有风向标的作用。在新型的功率半导体材料氧化嫁方面，日本也有望引起新一波潮流。根据日本Yano研究所市场报告预测，2025年氧化镓晶圆衬底将部分替代SiC、GaN材料，市场规模可达到2600亿日元；而据市场调查公司富士经济于 2019 年 6 月 5 日公布的 Wide Gap功率半导体元件的全球市场预测来看，2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1542亿日元，整个氧化镓市场容量将随着功率电子的发展呈现井喷式和跨越式发展。

什么是氧化镓？首先，氧化镓（Ga 2 O 3 ）并不是一种新型材料，1952年，科学家们发现了它的五种变体α、β、γ、δ和ε，其中β-氧化镓更稳定。它已有近70年历史。在半导体领域，早期主要用于LED（发光二极管）和基板等，并没有用作功率半导体。现在由于其超宽的带隙优势，被视为是用作功率半导体的更新一代的材料。氧化镓拥有4.8eV的超大带隙，SiC和GaN的带隙为3.3eV，硅则仅有1.1eV。从下图可以看出氧化镓在临界电场强度和禁带宽度方面具有绝对优势。除了高带宽这个特点之外，使用氧化镓作为半导体材料的主要原因是其较低的生产成本。

砷化镓、氮化镓、氧化镓、硅、SiC的特性比较

（来源：IEEE）

在氧化镓方面的研究，日本在衬底、外延和器件的研发方面处于全球领先地位，早在2012年日本就首先实现2英寸氧化镓材料的突破。值得一提的是，研发氧化镓功率元件的并不是大中型功率半导体企业，而是一些初创企业。最近几年，在日本政府的大力支持下，依托于日本各大高校，分离出来了不少在氧化镓领域的厂商，他们取得了不少突破。

Novel Crystal Technology（NCT）是一家氧化镓的同质外延片的开发商、制造商和供应商。其主要聚焦β-Ga 2 O 3 。NCT的氧化镓技术基于日本田村株式会社、日本国立信息通信技术研究所（NICT）和东京农工大学。2021年6月16日，NCT在全球首次成功量产了100mm（4英寸）的“氧化镓”晶圆。这是氧化镓晶圆首次在全球范围内实现量产。而在2022年3月，NCT又使用HVPE方法在 6 英寸晶圆上成功外延沉积氧化镓，NCT表示，此举将有望将成本降到SiC的三分之一。据NCT预测，氧化镓外延晶圆片的市场到2030年度将扩大到约590亿日元规模。

6英寸测试晶片上形成的β-Ga 2 O 3 薄膜

用于开发β-Ga 2 O 3 外延沉积的6英寸单晶片HVPE设备

7月25日，据日媒报道，日本FLOSFIA厂商预计将于2022年开始批量生产SBD（肖特基势垒二极管）。FLOSFIA于2011年从京都大学分拆出来，专门从事雾化学气相沉积 (CVD) 形成的氧化镓 (α-Ga 2 O 3 ) 薄膜的研发和商业化。其中DENSO还投资了其2017年的C轮融资。

FLOSFIA在“TECHNO-FRONTIER 2022”上展出了使用氧化镓的SBD “氧化镓SBD” 的评估板。氧化镓SBD的最大额定电压为 600V，正向电流 (I f ) 为10A。FLOSFIA专注于α-Ga 2 O 3 的开发，该公司认为α型是最接近实际用途的功率器件。FLOSFIA拥有独特的成膜技术“雾干法”，可以生产出稳定且具有优异特性的α-Ga 2 O 3 。α-Ga 2 O 3 具有5.3eV的宽禁带和高击穿场强，可以更好地承受高压应用。

另外一家源自日本东北大学的初创企业C&A与日本东北大学教授吉川彰的研发团队研发出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。新技术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。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。该公司力争在2年内制造出直径15厘米以上的结晶。

图源：日经中文网

可见日本已经有不少企业取得了很大的成就，一旦基于氧化镓的功率半导体商业化，由于其在成本和性能方面的优势，它将适用于许多领域。那么当这个潮头来临的时候，日本企业必将首先获利。

虽然在整个半导体领域，日本企业被认为陷入低迷，但是放眼整个功率半导体领域，日本存在感十足。据Omdia的数据，全球功率芯片十强中有一半是日企。三菱电机（第4）、富士电机（第5）、东芝（第6）、瑞萨（第9）、ROHM（第10）。这五家企业合计占有全球20%以上的功率芯片市场份额。

三菱电机株式会社成立于1921年1月15日，于1997年率先量产混合动力汽车的功率半导体模块。三菱电机是日本IGBT领域的王者。2021年11月，三菱电机将公司功率器件业务的目标设定为——到2025年销售额2400亿日元以上、营业利润率10%以上。为实现目标，三菱电机宣布将在未来五年内向功率半导体业务投资1300亿日元。该公司计划在福山工厂（广岛县福山市）新建一条 12 英寸（300 毫米）晶圆生产线，并计划到 2025 年将其产能比 2020 年翻一番。

富士电机成立于1923年，由日本“古川电机株式会社”和德国“西门子股份公司”共同成立的资本和技术联盟。富士电机于1988年开始生产第一代IGBT。2010年开始开发SiC功率半导体模块。目前公司的中长期目标是将90%的资金投入和80%的研发（R&D）投入在电力电子系统和功率半导体这两个业务，其中1200亿日元的功率半导体的工厂设备投资约占总投资的一半。

富士电机设备投资一览

东芝于1939年由芝浦制作所（创立于1875年）和东京电机（创立于1890年）合并而成，前身为东京芝浦电机株式会社（Tokyo Shibaura Electric Co., Ltd）。公司名称于1978 年正式更改为东芝株式会社。在功率半导体业务方面，2022年4月，东芝表示，将在其位于石川县的主要分立半导体生产基地加贺东芝电子株式会社建造一个新的 300 毫米晶圆制造厂，用于生产功率半导体。将分两期建设，根据市场趋势优化投资节奏，第一期计划于 2024财年开始投产，第一期达到满负荷时，预估产能将是2021财年的2.5倍。

瑞萨瑞萨是日立、三菱和 NEC电子的半导体部门的合并而来。2022年 5月17日，瑞萨投资900亿日元重启甲府工厂作为功率半导体专用 300 毫米晶圆厂，该工厂于2014年10月关闭，此前是150毫米和200 毫米晶圆制造线。一旦甲府工厂实现量产，瑞萨的IGBT等功率半导体总产能将翻一番。

罗姆于1958年在京都成立，最初是一家小型电子元件制造商。1967 年生产扩大到包括晶体管和二极管，并在1969年将IC和其他半导体产品添加到产品阵容中。罗姆（Rohm）是日本最大的SiC功率半导体生产商，并通过其德国子公司 SiCrystal 生产用于制造它们的 SiC 晶圆。罗姆拥有全球10%以上的SiC功率半导体市场以及15-20%的SiC晶圆市场。

日本还有在更上游的材料厂商，如生产SiC外延晶片的昭和电工，生产SiC晶圆的住友金属矿山。

昭和电工的SiC外延片市占率全球第一。该公司的SiC业务已经从外延向衬底成功延展，目的是改善SiC外延片的品质、扩大业务规模、提升综合竞争力。据今年3月消息显示，昭和电工已成功量产6英寸SiC单晶衬底，将用于生产SiC外延片。

2022年1月，据日经报道，住友金属矿山开始量产SiC晶圆。据悉，住友矿山开发出了相关技术，在因结晶不规则而价格较低的底层“多晶SiC”上贴一层可以降低发电损耗的“单晶SiC”，从而做成1片晶圆。可以同时使用便宜的材料，价格比拥有同样性能的传统产品降低1~2成左右。住友矿山考虑开发可以高效量产功率半导体的8英寸产品，并在海外建设生产基地。力争首先将新晶圆用于家电产品，预计2025年度以后配备于电动车。

而除了这些企业之外，日本还有电装、富士通半导体、日立、京瓷、新日本无线电、菲尼泰克半导体、三垦电气、三社电气制造、精工NPC、新电元电气制造、丰田工业等多家涉及功率半导体的企业。

但也可以看出，日本功率半导体厂商的规模相对较小，全球最大的功率芯片制造商英飞凌的市场份额为21%，一家英飞凌就是日本5家厂商的总和。为了保持功率半导体领域的地位不下滑，日本功率半导体厂商也开始进行战略大调整。

瞄准了纯电动汽车的繁荣的市场，日本功率半导体企业开始增产性能更高的第三代半导体材料SiC。日本企业能否在新一代SiC功率半导体领域吸引到有实力的客户，将成为日本功率半导体企业今后扩大市占率的关键。

罗姆虽然在整体的功率半导体市场份额中排在第10位，但单就SiC而言，罗姆占全球的14%，排第4左右。罗姆计划在2025年把SiC功率半导体的全球份额提高到30%，并将产能扩大到6倍以上，因此罗姆在SiC上的投资高达1700亿日元。2022年6月8日，罗姆在在福冈县筑后市举行了SiC功率半导体专用新厂房的启用仪式，这是日本国内半导体厂商首次建设SiC功率半导体专用厂房。通过生产SiC晶圆、SiC器件等一体化的开发，将为罗姆在SiC领域提供更多竞争力。

东芝的半导体业务子公司东芝Devices&Storage计划2023年度将位于日本兵库县太子町的姬路半导体工厂的SiC功率半导体产量提高到2020年度的3倍以上，并尽快提高到10倍。力争最晚于2030年度获得全球1成以上的份额东芝计划到2024年将SiC功率半导体的产量提高 3 倍以上，到 2026 年提高10倍。

日本富士电机追加在功率半导体领域的投资，在津轻工厂建设 SiC 功率半导体生产线。今年初，富士电机表示将增产功率半导体生产基地富士电机津轻半导体的SiC产能。也在考虑将SiC产品的投产时间比原计划（2025年）提前半年至一年。

昭和电工20201年8月宣布，将藉由公募增资、第三者配额增资筹措约1,100亿日圆资金，其中约700亿日元将用于扩增SiC晶圆等半导体材料产能。目前罗姆和东芝等日本厂商均已经与其签订了多年长期供应合同。

三菱电机也在加强SiC的布局，除了将独特的制造工艺应用于沟槽MOSFET以进一步提高性能和生产力之外，还考虑制造8英寸SiC晶圆。

根据日本调查机构矢野经济研究所的数据，预估在2025年之前，随着6英寸SiC晶圆真正导入量产、功率半导体厂商量产技术进步，推动SiC功率半导体成本下降，带动使用SiC功率模组的对象将从高阶电动车扩大至部份中阶电动车上，加上2026年以后、考虑在新推出的电动车上使用SiC功率模组的车厂增加，因此预估自2026年起车用SiC-PM市场将真正进入扩大期，预估2030年SiC功率模组市场规模将超过Si功率模组市场。

几年前，SiC/GaN刚兴起的时候，业界对其产业化也是褒贬不一。但是如今经过产业各界的努力，越来越多的汽车开始导入SiC，快充也因采用GaN获得了良好的性能，相信新型的功率半导体材料氧化镓（Ga 2 O 3 ）商业化也可期，因为很重要的一点是，他们都是低碳经济下的产物。

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