日本企业正在加紧推进配备在纯电动汽车（EV）上的功率半导体使用的新一代晶圆的实用化。这是一种由“氧化镓（GaO）”制成的晶圆，新兴企业Novel Crystal Technology最早将于2025年开始量产。由于这种晶圆有助于提高纯电动汽车的性能等，日本企业在纯电动汽车供应链中的存在感有望提高。

 

       “无论是性能还是成本，都能胜过碳化硅（SiC）。最终目标是全面转向氧化镓”，Novel Crystal社长仓又朗人表露出与纯电动汽车开始使用的碳化硅进行对抗的决心。2023年上市后，计划2025年在埼玉县狭山市内的工厂等每年生产2万枚100毫米晶圆，到2028年量产生产效率更高的200毫米晶圆。

 

使用Novel Crystal的氧化镓的半导体基板

 

       功率半导体是延长纯电动汽车续航距离和高效充电所必需的主要构件之一。可用于将通入马达的直流电转换为交流电的逆变器，以及将充电时的电流由交流转换为直流的车载充电器（On Board Charger）等。

 

       转换电流时的功率损耗越小，续航距离越长，越能承受高电压，就越能支持快速充电。这种性能因功率半导体基板使用的材料不同而存在差异。在基板材料中，目前硅的占比高达99％，但抗压性更好、功率损耗更小的材料的开发和采用也取得进展。

 

 

       近年来碳化硅的应用范围不断扩大，被认为可使耗电量比硅减少5～8％。由于可为延长纯电动汽车的续航距离做出贡献，美国特斯拉将其用在了量产车上，实用化取得进展。碳化硅之后的新一代材料是氮化镓（GaN）和氧化镓，氮化镓的节能性能等高于氧化镓。

 

       可降低EV成本并延长续航距离

 

       仓又社长之所以自信地认为氧化镓比备受关注的碳化硅更占优势，其依据是Novel Crystal拥有可将成本降低到三分之一的自主工艺。在耐热容器中，把作为材料的氧化镓溶解，使其接触种晶，然后逐渐降温，制作出单晶体。该公司使用这种被称为“溶液生长法”的工艺，在世界上率先确立了可在防止晶体内缺陷“双晶”的情况下制作单晶体的技术。

        

 

       另一方面，普通碳化硅是采用高温下使材料气化的“化学蒸镀法”制成的。与此相比，Novel Crystal的溶液生长法的每小时晶体生长速度比碳化硅快约100倍。据悉可以减少能源用量，为降低成本做出贡献。

 

Novel Crystal制作单晶体的设备

 

       目前碳化硅芯片的价格高达硅芯片的5～8倍，应用案例有限。碳化硅被认为是世界上硬度排在第3的物质，很难进行切割和研磨等加工，这也是一大课题。

 

       氧化镓的优势不仅仅是成本，还具备进一步改善电力损失的潜力。仅从材料的特性来看，氧化镓的电力损失可比碳化硅减少3成，比硅减少8成。即使用于功率半导体的基板，也可以比碳化硅减少电力损失，可以延长EV的续航距离。

 

       现在的EV电池的电压大多为400V，为了缩短充电时间等，欧美和中国企业纷纷提高到800V以上。电压越高，氧化镓晶圆减少电力损失的效果越好。

 

       电装部件的技术人员也关注氧化镓

 

       实际上，大型车载电装产品制造企业的技术高管也期待称，“有可能可以实现比碳化硅电力损失小的功率半导体，可以延长EV的续航距离”。Novel Crystal正面向半导体企业及车载设备厂商等销售，用于研究等，力争2030年前后实际应用于EV。

 

       据调查公司富士经济预计，全球功率半导体市场到2030年将达到5.3587万亿日元，是2021年的2.6倍。氧化镓方面，正在推进汽车及电装领域的产品开发，预计到2030年市场规模将达到470亿日元，是2022年预期值的100倍以上。

 

       在EV业务领域，除了车辆制造本身外，在日本企业曾占优势的电池及电池零部件领域，中韩企业的影响力也在增大。其中，量产氧化镓的动向目前在世界上还比较有限，如果在左右EV性能的主要零部件材料领域，日本企业尽快掌握主导权，将有重大意义。

 

       扩大市场或需要时间

 

       除了量产技术外，要想实用化还面临着其他课题。英国调查公司Omdia的南川明指出，“要想在EV上采用，除了性能外，还有一点很重要，就是由多家企业生产或者构建支持体制”。

 

       要想在EV等汽车用途上使用，为了稳定供应，需要一定的供应量，但目前其他开发氧化镓的企业只有源自京都大学的初创企业FLOSFIA等，企业规模也很小。要达到让车企放心使用的程度，可能还需要时间。碳化硅从开始研究到广泛应用于EV，用了近10年时间。

 

       关于先行一步的碳化硅功率半导体和基板，富士电机及昭和电工等计划增产，均已形成量产效应。氧化镓要想追赶碳化硅，需要尽快确立量产技术，并与半导体厂商和零部件企业合作，为用于功率半导体等而加快研发。

 

       日本经济新闻（中文版：日经中文网）冲永翔也

 

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