半導體芯精英 發表於 2020-12-28 10:47:31
近日，據日經報導，東芝和富士電機將合計投資2000億日元（合19億美元），以提高電動汽車的節能晶片的產量，以適應世界各國政府向電動汽車和卡車的急劇轉變。
眾所周知，近年來，消費電子、新能源車、光伏風電等下遊領域快速發展，功率半導體成為全球關注的重點。數據顯示，預計功率半導體市場將以每年6％的速度增長。受此利好影響，全球功率半導體廠商一方面會通過加強內部研發擴產，增強自己的實力；另一方面，進行併購也成為廠商查漏補缺的另一個重要手段。
而日本廠商無疑是這個市場的一股重要勢力。
耀眼的日本廠商
多年來，日本在發展功率半導體方面一直不遺餘力。據日本媒體最新報導，日本經濟產業省（METI）正準備為致力於開發新一代低能耗半導體材料「氧化鎵」的私營企業和大學提供財政支持，METI將為明年留出大約2030萬美元的資金，預計未來5年的投資額將超過8560萬美元。
對於技術的追求以及資本推動下，日本在功率半導體領域一直擁有強大的實力。據悉，目前全球的功率半導體器件主要由歐洲、美國、日本三個國家和地區提供，他們憑藉先進的技術和生產製造工藝，以及領先的品質管理體系，大約佔據了全球60％的市場份額。
日本企業三菱電機（Mitsubishi），羅姆（ROHM），東芝（Toshiba），瑞薩電子（Renesas），富士電機（Fuji Electric），分列2019年的功率半導體市場（離散元件和模組）銷售額排名的前五-九名。
2019年的功率半導體市場（離散元件和模組）上各家廠家的銷售額
近日，根據相關報導指出，日本經濟產業省預期2030年代中期在日本國內停止銷售汽油車新車，只銷售混合動力和純電動等電動車型，到2050年，汽車從製造到處置和回收的整個生命周期實現碳中和。
目前，日本政府正計劃對有助於節能的產品（例如蓄電池和功率半導體）實行優惠稅收制度。值得注意的是，這些日廠擴產有望緩解中國整車企業功率半導體供應緊缺的現狀。
在日本政府推行新能源車鼓勵政策下，日本廠商正在積極擴產備戰。
積極備貨的日本廠商 誠如前文所言，首先是東芝和富士電機，這兩家廠商正投入巨大資金用於擴充產能。
東芝
東芝創立於1875年7月，原名東京芝浦電氣株式會社，1939年由東京電氣株式會社和芝浦製作所合併而成，此前，東芝預計擴大8英寸的生產線，企圖打造一個具有月產15萬枚，以IGBT為核心的業務線。提出2021年在分立型半導體元件上的銷售額達到2000億日元的目標。
據日經報導，東芝將在截至2024年3月的財政年度中花費約800億日元，在其位於日本石川縣的工廠增加生產設備。該集團的晶圓生產能力將從每月150,000片增加到每月200,000片。多餘的晶圓將交付給日本汽車製造商以及中國和其他地區的汽車製造商。東芝在低壓產品中表現出色，可有效處理300伏或更低的電壓。
這家總部位於東京的公司希望將功率半導體領域的銷售額從目前的約1500億日元增長30％，達到2000億日元。它已經為電網提供了功率轉換器。
富士電機
此前，富士電機發表了2023年的中期計劃，在中期計劃中顯示2023年度營業額超過1兆日元，營業利益800億日元，未來富士電機將會重點投資功率半導體領域，2019年~2023年預計每年平均投資達到400~500億日元。
富士電機表示，與2019年相比，本財年日本山梨縣工廠的生產能力將提高30％。該公司計劃提高馬來西亞和日本以外其他地區的工廠的產能，以使工人能夠將製成品從日本製造的零件中剔除。
富士電機是開發用於汽車的功率半導體的先驅，其零部件已被日本和其他汽車製造商使用。該公司的目標是到2023財年使汽車佔功率半導體銷售額的一半，高於2019財年的35％。
事實上除了這兩家，還有廠商也在積極提升產能。
三菱電機
在如此熱潮下，多年來「清心寡欲」的三菱電機也心動了。三菱電機是功率半導體類型IGBT模塊的第二大製造商。近年來，三菱電機的投資有減少的跡象。具體來說，2013年度，三菱電機投資了360億日元，2014年度以後，每年保持在100~165億日元的投資水平。但是值得注意的是，2018年度三菱電機果斷投資552億日元，轉為積極態度。其背景是該公司的SiC功率半導體開發完成。
走到2020年，近日，路透社報導指出，三菱電機將投資約200億日元(約合1.87億美元)向夏普公司購買兩座閒置的晶片工廠，並啟動生產線以滿足對電動汽車所用電源管理晶片不斷增長的需求。三菱是豐田汽車公司此類晶片的主要供應商，新工廠定於明年11月開始運營，將為電源管理晶片加工晶圓。與2019財年相比，2022財年的總生產能力將翻一番。
除了這些正在努力增加產能的廠商，還有一些廠商正在增加對功率半導體其他方面的投資。
羅姆
羅姆可以說完全是以SiC為主要武器，該公司在2016年度投資421億日元，2017年度投資559億日元，2018年度投資780億日元。在福岡縣筑後修建新工廠，在宮崎工廠建設新導入新產線。其目標是，2021年達到現有生產能力的3倍，月產12000枚（按照6英寸換算）。
羅姆內部，其實已經有人提出在SiC領域，超過Wolfspeed成為世界第一的口號。ROHM在未來三年預計投資2500億日元，從瑞薩手中買來的滋賀縣工廠也將投入8英寸產線。
瞄準氧化鎵
除了積極擴充產能，事實上，深耕於功率半導體的日本廠商已經看到了更遠的未來——氧化鎵。資料顯示，氧化鎵（Ga2O3）是一種新興的超寬帶隙（UWBG）半導體，擁有4.8eV的超大帶隙。
作為對比，SiC和GaN的帶隙為3.3eV，而矽則僅有1.1eV，那就讓這種新材料擁有更高的熱穩定性、更高的電壓、再加上其能被廣泛採用的天然襯底，讓開發者可以輕易基於此開發出小型化，高效的大功率電晶體。與此同時，根據相關統計數據顯示，Ga2O3的損耗理論上是矽的1/3,000、SiC的1/6、GaN的1/3。擁有如此多的優勢，氧化鎵被看作一個比氮化鎵擁有更廣闊前景的技術。
據市場調查公司--富士經濟於2019年6月5日公布的Wide Gap 功率半導體元件的全球市場預測來看，2030年氧化鎵功率元件的市場規模將會達到1,542億日元（約人民幣92.76億元），這個市場規模要比氮化鎵功率元件的規模（1,085億日元，約人民幣65.1億元）還要大！具體數字雖然沒有公布，從下圖市場預測圖表中，可以看出在2050年時間點，氧化鎵超過氮化鎵。
在氧化鎵方面，日本在元件、基板等方面的研發全球領先。但據了解，研究氧化鎵功率元件、並進行開發的並不是現在的大型、中型功率半導體企業。也就是說並不是我們所熟悉的三菱電機、富士電機、羅姆等企業。而是一些小企業。
資料顯示，日本的功率元件方向的氧化鎵研發始於以下三位：國立研究開發法人--信息通信研究機構（NICT）的東脅正高（Masataka Higashiwaki）先生、京都大學的藤田靜雄（Shizuo Fujita）教授、田村（Tamura）製作所的倉又朗人先生。
NICT的東脅先生於2010年3月結束在美國大學的赴任並回日本，以氧化鎵功率元件作為新的研發主題並進行構想。京都大學的藤田教授於2008年發布了氧化鎵深紫外線檢測和Schottky Barrier Junction、藍寶石（Sapphire）晶圓上的晶膜生長（Epitaxial Growth）等研發成果後，又通過利用獨自研發的薄膜生產技術（Mist CVD法）致力於研發功率元件。倉又先生在田村（Tamura）製作所負責研發LED方向的氧化鎵單結晶晶圓，並考慮應用到功率半導體方向。
三人的接觸與新能源·產業技術綜合開發機構（NEDO）於2011年度提出的「節能革新技術開發事業—挑戰研發（事前研發一體型）、超耐高壓氧化鎵功率元件的研發」這一委託研發事業有一定關聯，接受委託的是NICT、京都大學、田村製作所等。可以說，由此開啟了功率元件的正式研發。
後來，京都大學成立了風險投資企業「FLOSFIA」，NICT和田村製作所合作成立了風險投資企業「Novel Crystal Technology」。現在，兩家公司都是日本氧化鎵研發的中堅企業。
FLOSFIA成立於2011年3月，不同於世界其他地區對GaN或SiC外延生長的方法研究，FLOSFIA的研究人員開發了一種新型的製備方法，它是將氧化鎵層沉積於藍寶石襯底上來製備功率器件。這主要依賴於其一項名為「Mist Epitaxy」（噴霧乾燥法）的化學氣相沉積工藝。
Novel Crystal Technology（以下簡稱NCT）則成立於2015年，公司所採用的方案是基於HVPE生長的Ga2O3平面外延晶片，他們的目標是加快超低損耗，低成本β-Ga2O3功率器件的產品開發。開發出β-Ga2O3功率器件。
現在參加研發的日本企業持續增加，且正在呈現出「All Japan」的景象。參與開發下一代半導體「氧化鎵（Ga2O3）」的功率器件的機構數量正在迅速增加。大學，公司和公共研究機構陸續參與了氧化鎵（Ga2O3）的研究。此外，對開發企業的投資正在陸續發生。
電裝作為一家提供汽車技術、系統及零部件的供應商，也在積極布局Ga2O3的研發。2018年1月，電裝與FLOSFIA（上文提到）宣布合作，投資和開發新一代功率半導體器件，預計將減少和降低用於電動汽車逆變器的能耗、成本、尺寸和重量。
2019年7月，電裝與豐田聯合宣布成立一個新的合資企業。新公司計劃於2020年4月成立，主要研發下一代車載半導體技術。他們將目光投向了能夠挑戰SiC（碳化矽）和GaN（氮化鎵）的功率半導體氧化鎵、金剛石。但直到目前為止，並沒有關於新公司的新進展。
美國在這方面也在發力。據外媒報導，今年6月，美國紐約州立大學布法羅分校（the University at Buffalo）正在研發一款基於氧化鎵的電晶體，能夠承受8000V以上的電壓，而且只有一張紙那麼薄，將用於製造更小、更高效的電子系統，用在電動汽車、機車和飛機上。
此外，美國佛羅裡達大學、美國海軍研究實驗室和韓國大學的研究人員也在研究氧化鎵MOSFET。佛羅裡達大學材料科學與工程教授Stephen Pearton表示，它們看好氧化鎵作為MOSFET的發展潛力。
而在中國，儘管起步較晚，但對於氧化鎵的研究也同樣不斷推進狀態中。據國內媒體報導，在去年舉行的全國科技活動周上，北京鎵族科技公司公開展示了其研發的氧化鎵晶胚、外延片以及基日盲紫外線探測陣列器件。
此外，中國電科46所採用導模法成功已製備出高質量的4英寸氧化鎵單晶，其寬度接近100mm，總長度達到250mm，可加工出4英寸晶圓、3英寸晶圓和2英寸晶圓。經測試，晶體具有很好的結晶質量，將為國內相關器件的研製提供有力支撐。
不過日本方面表示，鑑於其在Ga2O3領域的領先性，其他廠商暫時不能構成威脅。
說在最後
日本半導體行業發展了幾十年，大大小小的公司著實不少。可是猛然地說起，似乎也說不出來幾家。加上近幾年作為代表日本半導體行業的「內存」行業呈現斷崖式下跌。特別是DRAM廠家，1980年代日本傲視全球，2000年如斷了線的風箏。現在能夠想到日本半導體的大廠家，也只有Kioxia（以前的東芝公司）了 。
但日本在半導體材料以及設備上依然具有很大的優勢。如在矽片方面，日本的幾家公司名列前茅，各種用在半導體晶片生產的氣體和化合物方面，日本也不遑多讓。而在功率半導體方面，也是如此，日本公司不僅花大手筆投資增產現有技術產品，也在努力布局下一代功率半導體材料。
日本的半導體實力，不容小覷。
原文標題：日本半導體的一支「奇兵」
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責任編輯：haq
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