半導(dǎo)體的基板材料長(zhǎng)期使用硅，最近新材料的開發(fā)和使用取得進(jìn)展。在純電動(dòng)汽車（EV）領(lǐng)域，以美國(guó)特斯拉采用為開端，基板采用碳化硅（SiC）的半導(dǎo)體相繼采用。除了采用碳化硅和氮化鎵（GaN）的化合物半導(dǎo)體之外，采用鉆石等的研發(fā)也在推進(jìn)。在電路的微細(xì)化面臨極限的背景下，力爭(zhēng)通過新材料進(jìn)一步提高性能。

      智能手機(jī)和個(gè)人電腦等電子產(chǎn)品采用CPU（中央處理器）和存儲(chǔ)器等各種半導(dǎo)體，但現(xiàn)在大部分利用硅作為基板材料進(jìn)行制造。1947年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明半導(dǎo)體晶體管，隨后不久曾使用鍺，但進(jìn)入1960年代以后，容易取得和加工的硅成為主流。

      這種絕對(duì)優(yōu)勢(shì)近年來在面向純電動(dòng)汽車的功率半導(dǎo)體領(lǐng)域正在瓦解。開端是特斯拉。特斯拉在一部分主力純電動(dòng)汽車“Model 3”上，在用于馬達(dá)控制等的逆變器上，作為量產(chǎn)車首次開始采用基于碳化硅基板的半導(dǎo)體。

      碳化硅是碳化合物的一種，與硅相比，原子和原子的結(jié)合更強(qiáng)，被視為僅次于鉆石和碳化硼的世界第3硬的物質(zhì)。量產(chǎn)需要先進(jìn)的技術(shù)，另一方面，一旦形成結(jié)晶，特性保持穩(wěn)定，能將半導(dǎo)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(xué)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(shí)現(xiàn)了流線形的設(shè)計(jì)”。 

     以特斯拉為開端，純電動(dòng)汽車采用碳化硅的趨勢(shì)正在加強(qiáng)。德國(guó)半導(dǎo)體大型企業(yè)英飛凌科技 (Infineon Technologies AG)6月推出了面向純電動(dòng)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(shí)間與以前的預(yù)期相比，已經(jīng)明顯提前”。韓國(guó)的現(xiàn)代汽車已決定在新一代純電動(dòng)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(shí)，與硅相比，能將續(xù)航距離延長(zhǎng)5％以上。

      法國(guó)雷諾6月與半導(dǎo)體大型企業(yè)瑞士意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)就2026年以后的碳化硅和氮化鎵半導(dǎo)體供給簽署了合作協(xié)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(diào)查公司法國(guó)Yole Developpement預(yù)測(cè)稱，采用碳化硅的功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)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(jià)格差也在縮小。名古屋大學(xué)的山本教授指出，由于市場(chǎng)形成帶來的量產(chǎn)效果等，“截至5年前達(dá)到10倍左右的價(jià)格差到目前縮小至2倍左右”。還出現(xiàn)推進(jìn)碳化硅基板的大口徑化的企業(yè)，存在成本進(jìn)一步下降的空間。    

      在日本企業(yè)中，羅姆提出到2025年度在采用碳化硅的半導(dǎo)體市場(chǎng)掌握全球份額3成這一目標(biāo)。該公司2010年在世界上首次量產(chǎn)碳化硅制晶體管，一直主導(dǎo)實(shí)用化。2009年收購(gòu)的德國(guó)SiCrystal公司涉足碳化硅基板，從材料開始構(gòu)建了一條龍生產(chǎn)體制。  

 

    羅姆計(jì)劃將產(chǎn)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(jù)稱已有數(shù)款預(yù)定今后上市的純電動(dòng)汽車決定采用。還與中國(guó)汽車廠商吉利汽車在新一代半導(dǎo)體領(lǐng)域展開了技術(shù)合作。羅姆董事伊野和英表示，“此前為了推動(dòng)碳化硅市場(chǎng)的形成，各半導(dǎo)體企業(yè)一直展開合作，但目前終于進(jìn)入了企業(yè)之間展開競(jìng)爭(zhēng)的階段”。    

      猶如追趕碳化硅一樣，各種新材料的應(yīng)用開發(fā)正在推進(jìn)。強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者之一是氮化鎵。這是作為藍(lán)色發(fā)光二極管（LED）的基板而開發(fā)出來的源自日本的技術(shù)，如果應(yīng)用于功率半導(dǎo)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(yùn)動(dòng)等的優(yōu)勢(shì)。

     在充電器等部分用途上，實(shí)用化正取得進(jìn)展，但大部分為與硅等其他材料結(jié)合的產(chǎn)品，并未充分發(fā)揮材料本來的性能。大阪大學(xué)的森勇介教授等人的研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在攜手豐田合成等，聯(lián)合開發(fā)僅用氮化鎵、穩(wěn)定量產(chǎn)直徑6英寸晶圓的技術(shù)。

      半導(dǎo)體微細(xì)化面臨極限，需要新材料

      新材料研發(fā)相繼展開的背景是，現(xiàn)有半導(dǎo)體的性能提高日趨面臨極限。此前，以半導(dǎo)體性能在18個(gè)月～2年里提高至2倍的“摩爾定律”為基礎(chǔ)的電路微細(xì)化構(gòu)成支撐，但有觀點(diǎn)認(rèn)為，目前電路線寬已在5納米（納米為10億分之1米）以內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，物理極限已經(jīng)臨近。 

      此外，節(jié)能化的浪潮也將推動(dòng)研發(fā)。如果半導(dǎo)體的性能提高陷入停滯，純電動(dòng)汽車和數(shù)據(jù)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(fā)階段的項(xiàng)目相繼推進(jìn)。          

     從美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀校分拆（spin-out）出來的美國(guó)LAB91正在開發(fā)將碳原子薄膜“石墨烯”在晶圓上堆疊，借此提升性能的技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)階段取得成功，與半導(dǎo)體廠商啟動(dòng)了量產(chǎn)的驗(yàn)證。將有助于用于汽車和智能手機(jī)的攝像頭零部件、發(fā)揮“眼睛”作用的CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）傳感器和LED的高性能化等。

     安達(dá)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(qū)）和佐賀大學(xué)利用比碳化硅更加穩(wěn)定的特性，開發(fā)出了采用被稱為“終極半導(dǎo)體材料”的鉆石的功率半導(dǎo)體制造技術(shù)。據(jù)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(chǎn)取得成功。在研究室的階段，還生產(chǎn)出被認(rèn)為元件生產(chǎn)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(dá)到硅的數(shù)千倍。要邁向?qū)嵱没绾谓档瓦@種成本變得重要。

      基板以外的材料開發(fā)也在推進(jìn)。從美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)獨(dú)立出來的美國(guó)ARIECA開發(fā)了將熱傳導(dǎo)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(jié)合起來的材料。以用于半導(dǎo)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(dǎo)體領(lǐng)域，作為取代微細(xì)化的提高性能的措施，在一個(gè)封裝里集成多個(gè)半導(dǎo)體的技術(shù)受到關(guān)注。如果以高密度集成，產(chǎn)生熱量成為課題，但如果該企業(yè)的技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)，能在有限的體積內(nèi)集成大量電路，能提高運(yùn)算性能。

      日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省在6月發(fā)布的半導(dǎo)體戰(zhàn)略中，提出為碳化硅、氮化鎵和氧化鎵等“革新材料”的研發(fā)和投資提供支援。除了功率半導(dǎo)體大型企業(yè)所在的歐洲和美國(guó)之外，中國(guó)也將積極研發(fā)半導(dǎo)體新材料。為了進(jìn)一步提高半導(dǎo)體的性能，“硅之后”的主導(dǎo)權(quán)競(jìng)爭(zhēng)已拉開序幕。