日本企業正在加緊推進配備在純電動汽車（EV）上的功率半導體使用的新一代晶圓的實用化。這是一種由「氧化鎵（GaO）」製成的晶圓，新興企業Novel Crystal Technology最早將於2025年開始量産。由於這種晶圓有助於提高純電動汽車的性能等，日本企業在純電動汽車供應鏈中的存在感有望提高。

 

       「無論是性能還是成本，都能勝過碳化矽（SiC）。最終目標是全面轉向氧化鎵」，Novel Crystal社長倉又朗人表露出與純電動汽車開始使用的碳化矽進行對抗的決心。2023年上市後，計劃2025年在埼玉縣狹山市內的工廠等每年生産2萬枚100毫米晶圓，到2028年量産生産效率更高的200毫米晶圓。

 

使用Novel Crystal的氧化鎵的半導體基板

 

       功率半導體是延長純電動汽車續航距離和高效充電所必需的主要構件之一。可用於將通入馬達的直流電轉換為交流電的逆變器，以及將充電時的電流由交流轉換為直流的車載充電器（On Board Charger）等。

 

       轉換電流時的功率損耗越小，續航距離越長，越能承受高電壓，就越能支援快速充電。這種性能因功率半導體基板使用的材料不同而存在差異。在基板材料中，目前矽的佔比高達99％，但抗壓性更好、功率損耗更小的材料的開發和採用也取得進展。

 

 

       近年來碳化矽的應用範圍不斷擴大，被認為可使耗電量比矽減少5～8％。由於可為延長純電動汽車的續航距離做出貢獻，美國特斯拉將其用在了量産車上，實用化取得進展。碳化矽之後的新一代材料是氮化鎵（GaN）和氧化鎵，氮化鎵的節能性能等高於氧化鎵。

 

       可降低EV成本並延長續航距離

 

       倉又社長之所以自信地認為氧化鎵比備受關注的碳化矽更佔優勢，其依據是Novel Crystal擁有可將成本降低到三分之一的自主工藝。在耐熱容器中，把作為材料的氧化鎵溶解，使其接觸種晶，然後逐漸降溫，製作出單晶體。該公司使用這種被稱為「溶液生長法」的工藝，在世界上率先確立了可在防止晶體內缺陷「雙晶」的情況下製作單晶體的技術。

        

 

       另一方面，普通碳化矽是採用高溫下使材料氣化的「化學蒸鍍法」製成的。與此相比，Novel Crystal的溶液生長法的每小時晶體生長速度比碳化矽快約100倍。據悉可以減少能源用量，為降低成本做出貢獻。

 

Novel Crystal製作單晶體的設備

 

       目前碳化矽晶片的價格高達矽晶片的5～8倍，應用案例有限。碳化矽被認為是世界上硬度排在第3的物質，很難進行切割和研磨等加工，這也是一大課題。

 

       氧化鎵的優勢不僅僅是成本，還具備進一步改善電力損失的潛力。僅從材料的特性來看，氧化鎵的電力損失可比碳化矽減少3成，比矽減少8成。即使用於功率半導體的基板，也可以比碳化矽減少電力損失，可以延長EV的續航距離。

 

       現在的EV電池的電壓大多為400V，為了縮短充電時間等，歐美和中國企業紛紛提高到800V以上。電壓越高，氧化鎵晶圓減少電力損失的效果越好。

 

       電裝部件的技術人員也關注氧化鎵

 

       實際上，大型車載電裝産品製造企業的技術高管也期待稱，「有可能可以實現比碳化矽電力損失小的功率半導體，可以延長EV的續航距離」。Novel Crystal正面向半導體企業及車載設備廠商等銷售，用於研究等，力爭2030年前後實際應用於EV。

 

       據調查公司富士經濟預計，全球功率半導體市場到2030年將達到5.3587萬億日元，是2021年的2.6倍。氧化鎵方面，正在推進汽車及電裝領域的産品開發，預計到2030年市場規模將達到470億日元，是2022年預期值的100倍以上。

 

       在EV業務領域，除了車輛製造本身外，在日本企業曾佔優勢的電池及電池零部件領域，中韓企業的影響力也在增大。其中，量産氧化鎵的動向目前在世界上還比較有限，如果在左右EV性能的主要零部件材料領域，日本企業儘快掌握主導權，將有重大意義。

 

       擴大市場或需要時間

 

       除了量産技術外，要想實用化還面臨著其他課題。英國調查公司Omdia的南川明指出，「要想在EV上採用，除了性能外，還有一點很重要，就是由多家企業生産或者構建支援體制」。

 

       要想在EV等汽車用途上使用，為了穩定供應，需要一定的供應量，但目前其他開發氧化鎵的企業只有源自京都大學的初創企業FLOSFIA等，企業規模也很小。要達到讓車企放心使用的程度，可能還需要時間。碳化矽從開始研究到廣泛應用於EV，用了近10年時間。

 

       關於先行一步的碳化矽功率半導體和基板，富士電機及昭和電工等計劃增産，均已形成量産效應。氧化鎵要想追趕碳化矽，需要儘快確立量産技術，並與半導體廠商和零部件企業合作，為用於功率半導體等而加快研發。

 

       日本經濟新聞（中文版：日經中文網）沖永翔也

 

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