半导体新材料主导权争夺拉开序幕

来源:日经中文网 作者: 时间:2021-09-09 09:43

半导体 新材料 主导权

       半导体的基板材料长期使用硅,最近新材料的开发和使用取得进展。在纯电动汽车(EV)领域,以美国特斯拉采用为开端,基板采用碳化硅(SiC)的半导体相继采用。除了采用碳化硅和氮化镓(GaN)的化合物半导体之外,采用钻石等的研发也在推进。在电路的微细化面临极限的背景下,力争通过新材料进一步提高性能。

      智能手机和个人电脑等电子产品采用CPU(中央处理器)和存储器等各种半导体,但现在大部分利用硅作为基板材料进行制造。1947年美国贝尔实验室发明半导体晶体管,随后不久曾使用锗,但进入1960年代以后,容易取得和加工的硅成为主流。

      这种绝对优势近年来在面向纯电动汽车的功率半导体领域正在瓦解。开端是特斯拉。特斯拉在一部分主力纯电动汽车“Model 3”上,在用于马达控制等的逆变器上,作为量产车首次开始采用基于碳化硅基板的半导体。

      碳化硅是碳化合物的一种,与硅相比,原子和原子的结合更强,被视为仅次于钻石和碳化硼的世界第3硬的物质。量产需要先进的技术,另一方面,一旦形成结晶,特性保持稳定,能将半导体的耗电量损耗降至不到一半。

      散热效果也更高,有助于逆变器的小型化。日本名古屋大学教授山本真义表示,“Model 3的空气阻力值像跑车一样低。通过逆变器的小型化,实现了流线形的设计”。 

     以特斯拉为开端,纯电动汽车采用碳化硅的趋势正在加强。德国半导体大型企业英飞凌科技 (Infineon Technologies AG)6月推出了面向纯电动汽车逆变器的碳化硅模块。日本法人的神津岳泉表示,“碳化硅的普及时间与以前的预期相比,已经明显提前”。韩国的现代汽车已决定在新一代纯电动汽车上采用英飞凌科技公司制造的碳化硅。在降低耗电量损耗的同时,与硅相比,能将续航距离延长5%以上。

      法国雷诺6月与半导体大型企业瑞士意法半导体(STMicroelectronics)就2026年以后的碳化硅和氮化镓半导体供给签署了合作协议。丰田在2020年底上市的燃料电池车“未来”(MIRAI)的新款车上采用了日本电装制造的碳化硅。          

     调查公司法国Yole Developpement预测称,采用碳化硅的功率半导体的市场规模到2026年将增至2020年逾6倍的44亿7820万美元。

      此外,此前成为普及障碍的与硅的价格差也在缩小。名古屋大学的山本教授指出,由于市场形成带来的量产效果等,“截至5年前达到10倍左右的价格差到目前缩小至2倍左右”。还出现推进碳化硅基板的大口径化的企业,存在成本进一步下降的空间。    

      在日本企业中,罗姆提出到2025年度在采用碳化硅的半导体市场掌握全球份额3成这一目标。该公司2010年在世界上首次量产碳化硅制晶体管,一直主导实用化。2009年收购的德国SiCrystal公司涉足碳化硅基板,从材料开始构建了一条龙生产体制。   

    罗姆计划将产能相比2019年度提高至5倍以上,最近在福冈县的主力工厂建成了新厂房。据称已有数款预定今后上市的纯电动汽车决定采用。还与中国汽车厂商吉利汽车在新一代半导体领域展开了技术合作。罗姆董事伊野和英表示,“此前为了推动碳化硅市场的形成,各半导体企业一直展开合作,但目前终于进入了企业之间展开竞争的阶段”。    

      犹如追赶碳化硅一样,各种新材料的应用开发正在推进。强有力竞争者之一是氮化镓。这是作为蓝色发光二极管(LED)的基板而开发出来的源自日本的技术,如果应用于功率半导体基板,与硅相比,有望将电力损失减少至10分之1左右。即使与碳化硅比较,也具有能支持高速运动等的优势。

     在充电器等部分用途上,实用化正取得进展,但大部分为与硅等其他材料结合的产品,并未充分发挥材料本来的性能。大阪大学的森勇介教授等人的研发团队正在携手丰田合成等,联合开发仅用氮化镓、稳定量产直径6英寸晶圆的技术。

      半导体微细化面临极限,需要新材料

      新材料研发相继展开的背景是,现有半导体的性能提高日趋面临极限。此前,以半导体性能在18个月~2年里提高至2倍的“摩尔定律”为基础的电路微细化构成支撑,但有观点认为,目前电路线宽已在5纳米(纳米为10亿分之1米)以内实现实用化,物理极限已经临近。 

      此外,节能化的浪潮也将推动研发。如果半导体的性能提高陷入停滞,纯电动汽车和数据中心等有可能消耗巨大电力。芯片的堆叠等各种方式正在被尝试,另一方面,取代硅的新材料也备受期待,处于研发阶段的项目相继推进。          

     从美国德克萨斯大学奥斯汀校分拆(spin-out)出来的美国LAB91正在开发将碳原子薄膜“石墨烯”在晶圆上堆叠,借此提升性能的技术。在实验阶段取得成功,与半导体厂商启动了量产的验证。将有助于用于汽车和智能手机的摄像头零部件、发挥“眼睛”作用的CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器和LED的高性能化等。

     安达满纳米奇精密宝石有限公司(Adamant Namiki Precision Jewel Co., Ltd,位于东京足立区)和佐贺大学利用比碳化硅更加稳定的特性,开发出了采用被称为“终极半导体材料”的钻石的功率半导体制造技术。据称与硅相比,理论上能将电力损耗减少至5万分之1。

      从钻石来看,基板的大型化此前属于课题,但在工艺方面下工夫,世界最大的1英寸大小的工厂生产取得成功。在研究室的阶段,还生产出被认为元件生产最低限度所需的2英寸。不过,目前钻石造基板的制造成本达到硅的数千倍。要迈向实用化,如何降低这种成本变得重要。

      基板以外的材料开发也在推进。从美国卡内基梅隆大学独立出来的美国ARIECA开发了将热传导性卓越的液体金属、被称为“弹性材料”的犹如橡胶一样延展的材料结合起来的材料。以用于半导体冷却的金属零部件媒介的形式使用,与此前材料相比,将散热效果提高5成以上。

      在半导体领域,作为取代微细化的提高性能的措施,在一个封装里集成多个半导体的技术受到关注。如果以高密度集成,产生热量成为课题,但如果该企业的技术成功实现,能在有限的体积内集成大量电路,能提高运算性能。

      日本经济产业省在6月发布的半导体战略中,提出为碳化硅、氮化镓和氧化镓等“革新材料”的研发和投资提供支援。除了功率半导体大型企业所在的欧洲和美国之外,中国也将积极研发半导体新材料。为了进一步提高半导体的性能,“硅之后”的主导权竞争已拉开序幕。


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