 综述 所谓第三代半导体，主要是指以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化镓（Ga2O3）、金刚石等为材料制备的功率半导体。但是，目前以氧化镓和金刚石为材料的半导体尚在试制阶段，成规模的第三代半导体只有SiC和GaN两种。 据日本株式会社富士经济（FUJI KEIZAI CO., LTD.）发布的2016年版、2017年版《下一代功率半导体的全球市场调查》显示，第三代半导体2015年的全球市场规模为188亿日元，2016年全球市场规模约为219亿日元。并且根据富士经济提供的数据我们可以大概估算，2025年第三代功率半导体的全球市场规模可能达到2,560亿日元，约是2016年的11.7倍。具体各类别数据见下表： ▲第三代功率半导体的全球市场调查（部分） 另外，据中国第三代半导体产业技术创新战略联盟（以下简称“CASA”）统计，1996年~2015年的全球第三代半导体专利中，20大专利权人/申请人日本公司占了16个席位。日本在第三代半导体领域的领先地位显而易见。 请输入标题 abcdefg 一、日本第三代半导体的政策支持 日本在第三代半导体领域的各种成就首先离不开其政府的政策与经费支持，其次日本的各国立研究机构的积极参与也起到了很大的作用。 日本内阁府：SIP“下一代电力电子研究开发计划” 日本内阁府于2014年5月开始在其“战略性创新创造计划”（SIP）内推行“下一代电力电子研究开发计划”，计划周期为2014年~2018年。主要目的是以下一代材料（SiC、GaN）为中心，提高电力电子的性能，扩大其用途及普及程度，进一步推进节能，强化日本在该领域的产业竞争力。该研究计划2014年投入经费22亿日元，2015年投入24.21亿日元，2016年投入24.1亿日元。 该研究开发计划主要被分为四个研究开发项目，其中“研究开发项目Ⅰ SiC相关据点型共通基础技术开发”主要进行“下一代SiC模块”、“下一代SiC器件”、“下一代SiC晶圆”的技术开发；“研究开发项目Ⅱ GaN相关据点型共通基础技术开发”主要进行“下一代GaN晶圆”和“下一代GaN器件”的技术开发。  ▲日本内阁府的“下一代电力电子研究开发计划”的研究开发体制 2 NEDO：实现低碳社会的下一代电力电子项目 日本NEDO自2009年开始推行“实现低碳社会的下一代电力电子项目”，项目周期为2009年~2019年，其中2016年预算为21.5亿日元。 该项目的子研究项目“研究开发项目① 实现低碳社会的新材料功率半导体项目”主要以第三代半导体材料SiC为中心进行相关晶体生产、晶片加工技术、外延片、功率模块等研究。 与内阁府的SIP项目“下一代电力电子研究开发计划”以电力、汽车等领域的新技术为中心不同，NEDO的“实现低碳社会的下一代电力电子项目”是针对一定程度上较为明确的产品概念进行产品的适用型应用开发。 3 下一代功率半导体封装技术开发联盟 2013年，在日本大阪大学的带头下，包括大阪大学、三菱电机和罗姆等共计18个组织，决定加入开发SiC和GaN等下一代功率半导体封装技术的“下一代功率半导体封装技术开发联盟”。 SiC和GaN的封装需要可抵抗300℃热冲击的高可靠性无铅黏晶（Die Attach）技术，以及可抑制高频传输损耗的新型布线技术。在这个领域，大阪大学的菅沼等人开发出了出色的焊接技术和布线技术。下一代功率半导体封装技术开发联盟的目标是，把菅沼等人开发的技术推广到产业，实现可靠性评价方法以及评价标准化。此外还将探明极限环境下材料的劣化原理，制定新型封装材料和封装构造的设计指南。  ▲“下一代功率半导体封装技术开发联盟”的18个成员 4 GaN研究联盟 日本于2015年10月成立了“GaN研究联盟”，截止至2016年8月23日，共有19所大学、3家日本国立研究开发法人和39家企业参与。该联盟主要负责进行日本国内外的GaN研发相关信息的交换和收集，运营GaN相关研发项目，培养青年研究人才。 “GaN研究联盟”希望通过构建一个产学官的全日本（all japan）体制，加速GaN应用的相关基础研究和应用研究，为日本实现节能社会做出贡献。 二、日本第三代半导体的研究及应用进展 在日本政府顶层积极布局谋划下，通过分析专利布局和产业进展，日本在以SiC、GaN等为代表的第三代半导体材料的研发应用上处于全球领先地位。这些材料被广泛应用于光电子器件、电力电子器件等领域，以其优异的半导体性能在各个现代工业领域发挥重要革新作用，应用前景和市场潜力巨大。 1 日本在全球第三代半导体专利布局中独占鳌头 从日本在全球第三代半导体的专利布局分析，日本独占鳌头。这主要是因为日本较早进入第三代半导体领域，并且日本公司较为注重知识产权的保护和专利布局。 1）日本在全球SiC相关专利十大权人/申请人中占据七席 据CASA统计，1996至2015年的20年期间，全球范围SiC相关专利申请数量约1283项，其中SiC相关的10大专利权人/申请人的专利数量约有369项，约占SiC相关专利总数的28.7%。而这10大专利权人/申请人中，除了1家美国公司和2家欧洲公司，其余7家皆为日本公司。通过下图，我们还可以看出，日本在SiC器件领域尤为突出。  ▲1996至2015年间全球SiC相关专利权人/申请人前十名专利数量对比（来源CASA） 2）日本在全球GaN相关专利十大权人/申请人中占据八席 据CASA统计，1996至2015年的20年期间，全球范围GaN相关专利申请数量约1311项，其中SiC相关的10大专利权人/申请人的专利数量约有332项，约占GaN相关专利总数的25.3%。而这10大专利权人/申请人中，除了1家美国公司和1家欧洲公司，其余8家皆为日本公司。其中日本住友在GaN领域的专利申请数量遥遥领先。同SiC一样，日本在GaN的器件领域尤为突出。详见下图：  ▲1996至2015年间全球GaN相关专利权人/申请人前十名专利数量对比（来源CASA） 2 行业先锋积极推进第三代半导体产业化应用 日本在推进第三代半导体产业化应用上，拥有一批行业先锋，既包括上述专利布局中占主导地位的三菱、松下、罗姆、古河电气、住友等十余家具有多年行业经验的企业，也包括部分新兴中小企业。 如前文所述，目前可以达到产业化层面的第三代半导体主要有SiC和GaN。最近一年中，日本在这两个方面的产业化进程比较明显。 1）SiC领域应用领域不断扩大 与Si半导体相比，SiC功率元件可进一步实现小型化、低功耗及高效化。它在高温环境下具备优良的工作特性，且开关损耗更低，作为新一代低损耗元件，备受期待与关注，是第三代半导体领域中的研究热点，同时也是发展较为成熟的第三代半导体新材料。日本最近一年内在SiC的应用领域发展迅速，已正式进入车用领域，且开始在新干线领域进行试用。  日本罗姆株式会社（ROHM）是日本SiC功率器件制造商之一，目前罗姆的SiC功率器件产品包括肖特基势垒二极管、SiCMOSFET、SiC功率模块等，且其产品阵容仍在不断扩大。2016年5月，罗姆对外公布，开发出非常适用于服务器和高端计算机等的电源PFC（Power Factor Correction）电路的第3代SiC肖特基势垒二极管(SiC-SBD)“SCS3系列”。第3代SiC-SBD在继承了量产中的第2代SiC-SBD所实现的业界最低正向电压特性的同时，还确保了高抗浪涌电流特性，可大幅改善工作效率。2016年11月，罗姆又开发出业界超小型MOSFET“AG009DGQ3”，可实现高可靠性安装、且安装面积可比以往产品减少达64％的产品，主要用于车载领域。  2016年3月，日本本田技研工业株式会社（Honda）发布新型燃料电池汽车“CLARITY FUEL CELL”，并明确宣布在该车上搭载了SiC功率器件。这是全球首次在量产车上使用SiC功率器件。为了让较小的燃料电池堆也能提高电机的输出功率，本田对燃料电池堆的输出电压进行了升压。这种升压转换器采用了SiC功率元件。与原来采用Si功率元件时相比，燃料电池升压转换器的体积缩小了40％。  2016年5月，富士电机株式会社（Fuji Electric）在电子元器件展会“PCIM Europe 2016”上介绍了用于日本东海旅客铁道公司（JR东海）的“N700系”试验车辆的驱动系统的SiC功率模块。据富士电机介绍，试验用列车配备的功率模块采用的是SiC二极管和硅IGBT的“混合型”。额定电压为3.3kV，额定电流为1200A。今后实际用于新干线列车时，有可能实现晶体管也采用SiC的“全SiC”型功率模块。  除了推进SiC的实际应用以外，日本各企业也在不断优化SiC的制备技术，以求进一步降低SiC功率器件的成本。2016年4月，日本东洋炭素株式会社（TOYO TANSO）与日本关西大学合作开发出一种独特的“Si蒸汽压蚀刻技术”用来进行“SiC晶圆平坦表面处理”工序，减少了1/20的缺陷率，成功开发出SiC高品质薄片化外延片。2016年8月，日本株式会社DISCO开发出了利用激光从SiC铸锭上切割SiC晶圆的新工艺“KABRA”，将SiC晶圆的加工时间缩短到之前的1/4，产量增加到之前的1.5倍，为降低SiC功率元件做出了贡献。 2）GaN领域量产技术持续突破 镓（Ga）类氮化物一直以来被认为是高性能的半导体材料。在实现高效、节能的半导体绿色创新的进程中，与GaN相关的半导体技术的开发与发展都扮演着很重要的角色。 2016年4月，日本产业技术综合研究所（AIST）与日本名古屋大学联合设立了“产总研·名大 氮化物半导体先进器件开放创新实验室”（简称“GaN-OIL”），主要进行氮化物半导体的功率器件技术开发和氮化物半导体的发光器件技术开发。 日本松下株式会社（Panasonic）作为第三代半导体领域的先锋企业今年在GaN方面动作频频。2016年11月，松下在慕尼黑电子展“electronica 2016”上展示了GaN功率晶体管和该器件的应用实例，并同时宣布即将开始量产耐压600V的GaN功率晶体管 “PGA26E07BA”和“PGA26E19BA”。同年12月，松下试制了耐压为1.7kV、导通电阻仅1.0mΩcm2的GaN功率晶体管，并在“IEDM 2016”上进行了发表。该产品是在GaN基板上制作的立式元件，其导通电阻比相同耐压的SiC MOSFET还要“低”，可进一步降低导通时的损失。阈值电压为+2.5V，可常闭工作。 2016年9月，三菱电机株式会社开发出了饱和输出功率高达220W（53.4dBm）的GaN制HEMT（高电子迁移率晶体管）“MGFS53G27ET1”，并于2016年11月1日开始样品供货。 3 产学研合作加速其他新型第三代半导体的制备
日本在如火如荼地推进SiC及GaN类功率半导体的实际应用时，并没有减少对Ga2O3及金刚石等其他极具潜力的第三代半导体新材料的投入。 1）实验室阶段半导体材料——氧化镓（Ga2O3） 与正作为新一代功率半导体材料推进开发的SiC及GaN相比，Ga2O3能够低成本制作高耐压、低损耗的功率器件，因此备受关注。从综述部分2025年市场预测结果可以看出，富士经济也十分看好氧化镓类功率半导体的未来市场，而且富士经济认为2023年左右开始，氧化镓类功率半导体很有可能会比SiC更具优势。 2016年9月20日，日本AIST使用该所开发的单晶Ga2O3成膜工艺，开发出了以Ga2O3为隧道阻挡层的单晶隧道磁阻（TMR）元件。该元件的磁阻变化率（存储功能的性能指数）在室温下达到极高的92％，有望成为拥有存储功能的纵型自旋场效应晶体管（纵型自旋FET）的基本构造，可为实现零待机功率的常闭型计算做出贡献。 2016年9月28日，日本新兴企业FLOSFIA宣布，与京都大学共同成功研制出实现“氧化镓（Ga2O3）”功率晶体管所必需的p型层。该研究小组研究的是具有“刚玉（corundum）型”晶体结构的“α型”氧化镓。此次，利用与α型氧化镓一样具有刚玉型结构的氧化铱（Ir2O3）实现了p型层。利用该技术便可实现采用氧化镓的功率MOSFET，为解决氧化镓此前存在很难实现优质p型层的课题开辟了道路。 2）终极功率器件材料——金刚石 在所有的功率器件材料中，金刚石拥有最强的绝缘击穿电场强度和最高的载流子迁移率，而且导热性非常好，是一种备受期待的终极功率器件材料。将来，金刚石功率器件将有望被应用于汽车、新干线、飞机、机器人、人工卫星、火箭和输配电系统等领域，贡献于节能和低碳社会。 2016年8月，日本AIST、日本金泽大学与日本电装（DENSO）等组成的研究团队，成功使用金刚石半导体制成了反型层沟道MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管），并进行了工作验证。 三、总结 纵观日本最近一年在第三代半导体领域的研究和应用进展可以发现，日本在全球第三代半导体领域已处于绝对领先地位，并且仍在不断努力巩固这种优势。 日本政府积极出台政策给第三代半导体的研发提供政策及经费支持。日本的国立研发机构积极组织具体的研究开发计划，促进产学研各界的合作，推进第三代半导体的实验室成果向工业化转变。日本企业持续不断地开发更成熟的技术，提高第三代半导体产品的产量与质量，同时积极推进产品的实际应用。 而且，日本第三代半导体的发展并没有局限于相对比较成熟的SiC和GaN，而是将目光放得更长远，坚持挖掘和发展其他更具潜力的第三代半导体新型材料。 此外，无论是从专利分析的数据来看，还是从日本近一年的研发和应用进展来看，日本在第三代半导体的器件领域成绩十分突出。 |
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