半導體新材料主導權爭奪拉開序幕

      半導體的基板材料長期使用硅，最近新材料的開發和使用取得進展。在純電動汽車（EV）領域，以美國特斯拉采用為開端，基板采用碳化硅（SiC）的半導體相繼采用。除了采用碳化硅和氮化鎵（GaN）的化合物半導體之外，采用鉆石等的研發也在推進。在電路的微細化面臨極限的背景下，力爭通過新材料進一步提高性能。

      智能手機和個人電腦等電子產品采用CPU（中央處理器）和存儲器等各種半導體，但現在大部分利用硅作為基板材料進行制造。1947年美國貝爾實驗室發明半導體晶體管，隨后不久曾使用鍺，但進入1960年代以后，容易取得和加工的硅成為主流。

      這種絕對優勢近年來在面向純電動汽車的功率半導體領域正在瓦解。開端是特斯拉。特斯拉在一部分主力純電動汽車“Model 3”上，在用于馬達控制等的逆變器上，作為量產車首次開始采用基于碳化硅基板的半導體。

      碳化硅是碳化合物的一種，與硅相比，原子和原子的結合更強，被視為僅次于鉆石和碳化硼的世界第3硬的物質。量產需要先進的技術，另一方面，一旦形成結晶，特性保持穩定，能將半導體的耗電量損耗降至不到一半。

      散熱效果也更高，有助于逆變器的小型化。日本名古屋大學教授山本真義表示，“Model 3的空氣阻力值像跑車一樣低。通過逆變器的小型化，實現了流線形的設計”。 

     以特斯拉為開端，純電動汽車采用碳化硅的趨勢正在加強。德國半導體大型企業英飛凌科技 (Infineon Technologies AG)6月推出了面向純電動汽車逆變器的碳化硅模塊。日本法人的神津岳泉表示，“碳化硅的普及時間與以前的預期相比，已經明顯提前”。韓國的現代汽車已決定在新一代純電動汽車上采用英飛凌科技公司制造的碳化硅。在降低耗電量損耗的同時，與硅相比，能將續航距離延長5％以上。

      法國雷諾6月與半導體大型企業瑞士意法半導體(STMicroelectronics)就2026年以后的碳化硅和氮化鎵半導體供給簽署了合作協議。豐田在2020年底上市的燃料電池車“未來”(MIRAI）的新款車上采用了日本電裝制造的碳化硅。          

     調查公司法國Yole Developpement預測稱，采用碳化硅的功率半導體的市場規模到2026年將增至2020年逾6倍的44億7820萬美元。

      此外，此前成為普及障礙的與硅的價格差也在縮小。名古屋大學的山本教授指出，由于市場形成帶來的量產效果等，“截至5年前達到10倍左右的價格差到目前縮小至2倍左右”。還出現推進碳化硅基板的大口徑化的企業，存在成本進一步下降的空間。    

      在日本企業中，羅姆提出到2025年度在采用碳化硅的半導體市場掌握全球份額3成這一目標。該公司2010年在世界上首次量產碳化硅制晶體管，一直主導實用化。2009年收購的德國SiCrystal公司涉足碳化硅基板，從材料開始構建了一條龍生產體制。  

 

    羅姆計劃將產能相比2019年度提高至5倍以上，最近在福岡縣的主力工廠建成了新廠房。據稱已有數款預定今后上市的純電動汽車決定采用。還與中國汽車廠商吉利汽車在新一代半導體領域展開了技術合作。羅姆董事伊野和英表示，“此前為了推動碳化硅市場的形成，各半導體企業一直展開合作，但目前終于進入了企業之間展開競爭的階段”。    

      猶如追趕碳化硅一樣，各種新材料的應用開發正在推進。強有力競爭者之一是氮化鎵。這是作為藍色發光二極管（LED）的基板而開發出來的源自日本的技術，如果應用于功率半導體基板，與硅相比，有望將電力損失減少至10分之1左右。即使與碳化硅比較，也具有能支持高速運動等的優勢。

     在充電器等部分用途上，實用化正取得進展，但大部分為與硅等其他材料結合的產品，并未充分發揮材料本來的性能。大阪大學的森勇介教授等人的研發團隊正在攜手豐田合成等，聯合開發僅用氮化鎵、穩定量產直徑6英寸晶圓的技術。

      半導體微細化面臨極限，需要新材料

      新材料研發相繼展開的背景是，現有半導體的性能提高日趨面臨極限。此前，以半導體性能在18個月～2年里提高至2倍的“摩爾定律”為基礎的電路微細化構成支撐，但有觀點認為，目前電路線寬已在5納米（納米為10億分之1米）以內實現實用化，物理極限已經臨近。 

      此外，節能化的浪潮也將推動研發。如果半導體的性能提高陷入停滯，純電動汽車和數據中心等有可能消耗巨大電力。芯片的堆疊等各種方式正在被嘗試，另一方面，取代硅的新材料也備受期待，處于研發階段的項目相繼推進。          

     從美國德克薩斯大學奧斯汀校分拆（spin-out）出來的美國LAB91正在開發將碳原子薄膜“石墨烯”在晶圓上堆疊，借此提升性能的技術。在實驗階段取得成功，與半導體廠商啟動了量產的驗證。將有助于用于汽車和智能手機的攝像頭零部件、發揮“眼睛”作用的CMOS（互補金屬氧化物半導體）傳感器和LED的高性能化等。

     安達滿納米奇精密寶石有限公司（Adamant Namiki Precision Jewel Co.， Ltd，位于東京足立區）和佐賀大學利用比碳化硅更加穩定的特性，開發出了采用被稱為“終極半導體材料”的鉆石的功率半導體制造技術。據稱與硅相比，理論上能將電力損耗減少至5萬分之1。

      從鉆石來看，基板的大型化此前屬于課題，但在工藝方面下工夫，世界最大的1英寸大小的工廠生產取得成功。在研究室的階段，還生產出被認為元件生產最低限度所需的2英寸。不過，目前鉆石造基板的制造成本達到硅的數千倍。要邁向實用化，如何降低這種成本變得重要。

      基板以外的材料開發也在推進。從美國卡內基梅隆大學獨立出來的美國ARIECA開發了將熱傳導性卓越的液體金屬、被稱為“彈性材料”的猶如橡膠一樣延展的材料結合起來的材料。以用于半導體冷卻的金屬零部件媒介的形式使用，與此前材料相比，將散熱效果提高5成以上。

      在半導體領域，作為取代微細化的提高性能的措施，在一個封裝里集成多個半導體的技術受到關注。如果以高密度集成，產生熱量成為課題，但如果該企業的技術成功實現，能在有限的體積內集成大量電路，能提高運算性能。

      日本經濟產業省在6月發布的半導體戰略中，提出為碳化硅、氮化鎵和氧化鎵等“革新材料”的研發和投資提供支援。除了功率半導體大型企業所在的歐洲和美國之外，中國也將積極研發半導體新材料。為了進一步提高半導體的性能，“硅之后”的主導權競爭已拉開序幕。