用於控制電力的功率半導體的新一代産品已進入普及階段。使用碳化矽（SiC）的半導體以純電動汽車（EV）為中心需求猛增，豐田等車企也計劃在新車上採用。氮化鎵（GaN）基板的開發也朝著商用化的方向取得進展。由於是左右電子設備低功耗性能、對脫碳起到關鍵作用的核心器件，投資競爭也日趨白熱化。

 

      日本的羅姆（ROHM）建在福岡縣築後市的新生産廠房正在進行SiC功率半導體的量産準備。大部分製造設備已於2021年引進完畢，進入2022年後，開始反覆進行試製和評測。

 

 羅姆將提前量産SiC功率半導體

 

      羅姆社長松本功表示，「純電動汽車普及等脫碳動向比預想的時間提前了兩年左右」，目前該公司正在加緊建立量産體制。法國調查公司Yole的統計顯示，2021年羅姆的SiC功率半導體份額達到約10％，排在全球第4位。羅姆提出了借助新生産廠房將份額提高到30％的目標，「爭取到2025年度使份額上升至世界第一」（松本社長）。

 

羅姆的SiC功率半導體

 

     功率半導體起到電流流動或者停止的「開關」作用。即便在同一産品內，不同零部件也需要在不同的電壓及電流等條件下工作，因此需要將直流電轉換為交流電，或者調整電壓。

 

     比如，智慧手機充電器就需要對插座輸出的電流進行轉換。充電器發熱，相當於在該工作過程中産生的電力損耗。如果功率半導體的性能提高，就可以減少損耗，以較小的耗電量驅動電氣産品。

 

 

   全球約一半電力需求來自馬達

   

       據日本經濟産業省的數據，全球電力需求的約一半來自馬達。使用功率半導體驅動馬達旋轉的設備的工作效率得到改善會帶來很大效果。日本經濟産業省預測，通過改善功率半導體的性能，日本每年可減排超過983萬噸（到2050年）的二氧化碳。每年的減排量可達到2020年度總排放量（10.44億噸）的1％。

 

 

       備受關注的是晶圓使用SiC材料的功率半導體。SiC是碳和矽的化合物，不僅硬度高，而且耐熱性和耐用性出色。因此可承受高電壓和高電流。

   

       SiC材料需要人工合成生産，穩定生産和加工門檻很高。雖然目前在成本方面與矽材料存在數倍的差距，但大口徑晶圓方面的量産技術已經確立，供應鏈已開始完善。

 

 豐田和本田將在純電動汽車上採用SiC功率半導體

 

      SiC功率半導體在純電動汽車等領域的需求迅速增加，正在進入普及期。日本汽車企業也紛紛採用。豐田在2022年冬季以後上市的「雷克薩斯」純電動汽車「RZ」配備的逆變器中使用SiC功率半導體。本田也打算於2026年在中大型純電動汽車的逆變器中採用SiC産品。

 

 

      Yole的統計顯示，在SiC功率半導體全球份額排名前十的企業中，日本企業除羅姆外，還有三菱電機、富士電機、東芝等。由東芝和三菱電機等共同開發的産品，已被JR東海的東海道新幹線列車「N700S」的馬達驅動系統採用，日本企業的技術實力逐步提高。

 

   

       海外企業的SiC功率半導體份額擁有領先優勢。總部在瑞士的意法半導體（ST Microelectronics）的SiC市佔率達到約40％，位列全球首位。該公司的SiC功率半導體已經迅速被美國特斯拉的主力純電動汽車「Model 3」的部分産品採用。意法半導體10月還宣佈了在義大利新建SiC晶圓工廠的消息。

 

  GaN也作為新一代功率半導體備受關注

 

        新一代功率半導體方面，氮化鎵（GaN）基板材料也備受關注。GaN是氮和鎵的化合物，擁有比SiC更穩定的結構，可以提高頻率。

 

       如果提高頻率，就能更精細地控制電力，可以使調整所需要的週邊零部件等縮小尺寸或者減少數量。隨著電力控制容易發生電力損耗，但GaN可以減小這種損耗。適用於方便攜帶和容易安裝的充電器及基地台等小型産品。

 

 

      不過，由於很難製造高品質的晶體，目前基板使用的是矽。如果GaN基板能實現實用化，還可以承受跟SiC同等以上的高電壓，用途將擴大到EV等。也有人期待其成為可以比SiC提高性能的實力技術。

   

       在GaN功率半導體領域，日本企業的優勢在於基礎技術。據日本專利廳統計，2000～2019年在世界上申請的相關專利，日本企業佔4成。在GaN基板領域，三菱化學集團將與日本製鋼所合作，預計2023年初實現量産，住友化學最早2024年度實現量産。

 

      2014年因開發藍色發光二極體（LED）而共同獲得諾貝爾物理學獎的名古屋大學的天野浩教授認為應該積極開發GaN，表示「日本的優勢在於材料和器件等」。

 

       化學及材料等知識的積累將左右功率半導體的競爭力。量産所需要的投資規模也比尖端邏輯（運算）半導體等要小，有很多參與者涉足該領域。日本要想充分利用企業佔優勢的基礎技術，行業重組及併購（M&A）等戰略將左右今後在世界上的競爭力。

 

   功率半導體用途廣，市場仍將增長

 

       功率半導體的特點是用途多樣。不僅用於純電動汽車（EV），還用於家電、鐵路車輛、工業機械及可再生能源相關設備等需要電氣控制的所有機器。

 

      三菱電機功率器件製作所所長岩上徹説：「要想實現碳中和，需要有利於節能的功率半導體，今後市場將迅猛增長」。

 

 

      英國調查公司Omdia預計，2027年的市場規模將達到約290億美元，是2020年的近2倍。雖説目前碳化矽（SiC）半導體在迅猛增長，但傳統的矽（Si）半導體仍佔市場的9成以上，仍是主流。

 

      半導體市場迎來「矽週期」，進入低迷狀態。受智慧手機及個人電腦供貨量減少的影響，佔整個市場7成的運算半導體使用的邏輯半導體和存儲用記憶體正在加快減速。

 

       而功率半導體保持堅挺。預測整個半導體市場負增長的2023年，功率半導體也將增長5％左右。雖然規模並不大，但以EV為中心，用途多樣，並且左右節能性能的功率半導體的交易大。

 

    

       由於預計將穩定增長，目前的投資動向活躍。瑞薩電子投資約900億日元，重啟了關閉的工廠作為功率半導體用工廠，計劃到2025年將産能提高到2倍。日本大型半導體製造裝置企業迪思科（DISCO）表示：「跟市場減速的記憶體等消費類半導體不同，需求旺盛」。

 

 

       據Omdia介紹，功率半導體市佔率第4名以後是三菱電機（6％）及富士電機（5％）等日本企業。前三名是英飛淩科技（21％，排在第一）等歐美企業。

   

      中國企業的追趕也很激烈。據業界團體SEMI統計，中國半導體工廠相關新建項目（截至10月）中，26家新興企業中有9家將功率半導體列為生産産品。

 

       杭州士蘭微電子10月籌資65億元，將用於建設SiC功率半導體的新生産線及每年可生産36萬枚功率半導體大口徑基板的生産線等。

 

英飛淩的SiC晶圓（圖片由英飛淩提供）

       功率半導體跟邏輯半導體和記憶體不同，使用的是傳統的製造技術，因此製造裝置也不在美國對華制裁之列。

 

       三菱電機功率器件製作所所長岩上徹雖然説「不僅設備投資，製造工藝的改善等都需要技術」，但中國企業的大膽投資也會成為日本企業的威脅。

 

      日本經濟産業省在半導體戰略中將把功率半導體作為重要領域之一。在市場巨變的背景下，日本企業能否繼續保持影響力將受到考驗。

   

   日本經濟新聞（中文版：日經中文網）大越優樹、福島悠太、江口良輔

      

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