一、日本第三代半導(dǎo)體的政策支持

日本在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的各種成就首先離不開其政府的政策與經(jīng)費(fèi)支持，其次日本的各國立研究機(jī)構(gòu)的積極參與也起到了很大的作用。

日本內(nèi)閣府于2014年5月開始在其“戰(zhàn)略性創(chuàng)新創(chuàng)造計(jì)劃”（SIP）內(nèi)推行“下一代電力電子研究開發(fā)計(jì)劃”，計(jì)劃周期為2014年~2018年。主要目的是以下一代材料（SiC、GaN）為中心，提高電力電子的性能，擴(kuò)大其用途及普及程度，進(jìn)一步推進(jìn)節(jié)能，強(qiáng)化日本在該領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)競爭力。該研究計(jì)劃2014年投入經(jīng)費(fèi)22億日元，2015年投入24.21億日元，2016年投入24.1億日元。

該研究開發(fā)計(jì)劃主要被分為四個(gè)研究開發(fā)項(xiàng)目，其中“研究開發(fā)項(xiàng)目Ⅰ SiC相關(guān)據(jù)點(diǎn)型共通基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)”主要進(jìn)行“下一代SiC模塊”、“下一代SiC器件”、“下一代SiC晶圓”的技術(shù)開發(fā)；“研究開發(fā)項(xiàng)目Ⅱ GaN相關(guān)據(jù)點(diǎn)型共通基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)”主要進(jìn)行“下一代GaN晶圓”和“下一代GaN器件”的技術(shù)開發(fā)。

▲日本內(nèi)閣府的“下一代電力電子研究開發(fā)計(jì)劃”的研究開發(fā)體制

日本NEDO自2009年開始推行“實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)的下一代電力電子項(xiàng)目”，項(xiàng)目周期為2009年~2019年，其中2016年預(yù)算為21.5億日元。

該項(xiàng)目的子研究項(xiàng)目“研究開發(fā)項(xiàng)目① 實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)的新材料功率半導(dǎo)體項(xiàng)目”主要以第三代半導(dǎo)體材料SiC為中心進(jìn)行相關(guān)晶體生產(chǎn)、晶片加工技術(shù)、外延片、功率模塊等研究。

與內(nèi)閣府的SIP項(xiàng)目“下一代電力電子研究開發(fā)計(jì)劃”以電力、汽車等領(lǐng)域的新技術(shù)為中心不同，NEDO的“實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)的下一代電力電子項(xiàng)目”是針對(duì)一定程度上較為明確的產(chǎn)品概念進(jìn)行產(chǎn)品的適用型應(yīng)用開發(fā)。

2013年，在日本大阪大學(xué)的帶頭下，包括大阪大學(xué)、三菱電機(jī)和羅姆等共計(jì)18個(gè)組織，決定加入開發(fā)SiC和GaN等下一代功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)的“下一代功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)開發(fā)聯(lián)盟”。

SiC和GaN的封裝需要可抵抗300℃熱沖擊的高可靠性無鉛黏晶（Die Attach）技術(shù)，以及可抑制高頻傳輸損耗的新型布線技術(shù)。在這個(gè)領(lǐng)域，大阪大學(xué)的菅沼等人開發(fā)出了出色的焊接技術(shù)和布線技術(shù)。下一代功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)開發(fā)聯(lián)盟的目標(biāo)是，把菅沼等人開發(fā)的技術(shù)推廣到產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)可靠性評(píng)價(jià)方法以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)化。此外還將探明極限環(huán)境下材料的劣化原理，制定新型封裝材料和封裝構(gòu)造的設(shè)計(jì)指南。

▲“下一代功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)開發(fā)聯(lián)盟”的18個(gè)成員

日本于2015年10月成立了“GaN研究聯(lián)盟”，截止至2016年8月23日，共有19所大學(xué)、3家日本國立研究開發(fā)法人和39家企業(yè)參與。該聯(lián)盟主要負(fù)責(zé)進(jìn)行日本國內(nèi)外的GaN研發(fā)相關(guān)信息的交換和收集，運(yùn)營GaN相關(guān)研發(fā)項(xiàng)目，培養(yǎng)青年研究人才。

“GaN研究聯(lián)盟”希望通過構(gòu)建一個(gè)產(chǎn)學(xué)官的全日本（all japan）體制，加速GaN應(yīng)用的相關(guān)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，為日本實(shí)現(xiàn)節(jié)能社會(huì)做出貢獻(xiàn)。

二、日本第三代半導(dǎo)體的研究及應(yīng)用進(jìn)展

在日本政府頂層積極布局謀劃下，通過分析專利布局和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展，日本在以SiC、GaN等為代表的第三代半導(dǎo)體材料的研發(fā)應(yīng)用上處于全球領(lǐng)先地位。這些材料被廣泛應(yīng)用于光電子器件、電力電子器件等領(lǐng)域，以其優(yōu)異的半導(dǎo)體性能在各個(gè)現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重要革新作用，應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力巨大。

從日本在全球第三代半導(dǎo)體的專利布局分析，日本獨(dú)占鰲頭。這主要是因?yàn)槿毡据^早進(jìn)入第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域，并且日本公司較為注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)和專利布局。

1）日本在全球SiC相關(guān)專利十大權(quán)人/申請(qǐng)人中占據(jù)七席

據(jù)CASA統(tǒng)計(jì)，1996至2015年的20年期間，全球范圍SiC相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量約1283項(xiàng)，其中SiC相關(guān)的10大專利權(quán)人/申請(qǐng)人的專利數(shù)量約有369項(xiàng)，約占SiC相關(guān)專利總數(shù)的28.7%。而這10大專利權(quán)人/申請(qǐng)人中，除了1家美國公司和2家歐洲公司，其余7家皆為日本公司。通過下圖，我們還可以看出，日本在SiC器件領(lǐng)域尤為突出。

▲1996至2015年間全球SiC相關(guān)專利權(quán)人/申請(qǐng)人前十名專利數(shù)量對(duì)比（來源CASA）

2）日本在全球GaN相關(guān)專利十大權(quán)人/申請(qǐng)人中占據(jù)八席

據(jù)CASA統(tǒng)計(jì)，1996至2015年的20年期間，全球范圍GaN相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量約1311項(xiàng)，其中SiC相關(guān)的10大專利權(quán)人/申請(qǐng)人的專利數(shù)量約有332項(xiàng)，約占GaN相關(guān)專利總數(shù)的25.3%。而這10大專利權(quán)人/申請(qǐng)人中，除了1家美國公司和1家歐洲公司，其余8家皆為日本公司。其中日本住友在GaN領(lǐng)域的專利申請(qǐng)數(shù)量遙遙領(lǐng)先。同SiC一樣，日本在GaN的器件領(lǐng)域尤為突出。詳見下圖：

▲1996至2015年間全球GaN相關(guān)專利權(quán)人/申請(qǐng)人前十名專利數(shù)量對(duì)比（來源CASA）

日本在推進(jìn)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上，擁有一批行業(yè)先鋒，既包括上述專利布局中占主導(dǎo)地位的三菱、松下、羅姆、古河電氣、住友等十余家具有多年行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)，也包括部分新興中小企業(yè)。

如前文所述，目前可以達(dá)到產(chǎn)業(yè)化層面的第三代半導(dǎo)體主要有SiC和GaN。最近一年中，日本在這兩個(gè)方面的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程比較明顯。

1）SiC領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大

與Si半導(dǎo)體相比，SiC功率元件可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化、低功耗及高效化。它在高溫環(huán)境下具備優(yōu)良的工作特性，且開關(guān)損耗更低，作為新一代低損耗元件，備受期待與關(guān)注，是第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，同時(shí)也是發(fā)展較為成熟的第三代半導(dǎo)體新材料。日本最近一年內(nèi)在SiC的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展迅速，已正式進(jìn)入車用領(lǐng)域，且開始在新干線領(lǐng)域進(jìn)行試用。

日本羅姆株式會(huì)社（ROHM）是日本SiC功率器件制造商之一，目前羅姆的SiC功率器件產(chǎn)品包括肖特基勢(shì)壘二極管、SiCMOSFET、SiC功率模塊等，且其產(chǎn)品陣容仍在不斷擴(kuò)大。2016年5月，羅姆對(duì)外公布，開發(fā)出非常適用于服務(wù)器和高端計(jì)算機(jī)等的電源PFC（Power Factor Correction）電路的第3代SiC肖特基勢(shì)壘二極管(SiC-SBD)“SCS3系列”。第3代SiC-SBD在繼承了量產(chǎn)中的第2代SiC-SBD所實(shí)現(xiàn)的業(yè)界最低正向電壓特性的同時(shí)，還確保了高抗浪涌電流特性，可大幅改善工作效率。2016年11月，羅姆又開發(fā)出業(yè)界超小型MOSFET“AG009DGQ3”，可實(shí)現(xiàn)高可靠性安裝、且安裝面積可比以往產(chǎn)品減少達(dá)64％的產(chǎn)品，主要用于車載領(lǐng)域。

2016年3月，日本本田技研工業(yè)株式會(huì)社（Honda）發(fā)布新型燃料電池汽車“CLARITY FUEL CELL”，并明確宣布在該車上搭載了SiC功率器件。這是全球首次在量產(chǎn)車上使用SiC功率器件。為了讓較小的燃料電池堆也能提高電機(jī)的輸出功率，本田對(duì)燃料電池堆的輸出電壓進(jìn)行了升壓。這種升壓轉(zhuǎn)換器采用了SiC功率元件。與原來采用Si功率元件時(shí)相比，燃料電池升壓轉(zhuǎn)換器的體積縮小了40％。

2016年5月，富士電機(jī)株式會(huì)社（Fuji Electric）在電子元器件展會(huì)“PCIM Europe 2016”上介紹了用于日本東海旅客鐵道公司（JR東海）的“N700系”試驗(yàn)車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的SiC功率模塊。據(jù)富士電機(jī)介紹，試驗(yàn)用列車配備的功率模塊采用的是SiC二極管和硅IGBT的“混合型”。額定電壓為3.3kV，額定電流為1200A。今后實(shí)際用于新干線列車時(shí)，有可能實(shí)現(xiàn)晶體管也采用SiC的“全SiC”型功率模塊。

除了推進(jìn)SiC的實(shí)際應(yīng)用以外，日本各企業(yè)也在不斷優(yōu)化SiC的制備技術(shù)，以求進(jìn)一步降低SiC功率器件的成本。2016年4月，日本東洋炭素株式會(huì)社（TOYO TANSO）與日本關(guān)西大學(xué)合作開發(fā)出一種獨(dú)特的“Si蒸汽壓蝕刻技術(shù)”用來進(jìn)行“SiC晶圓平坦表面處理”工序，減少了1/20的缺陷率，成功開發(fā)出SiC高品質(zhì)薄片化外延片。2016年8月，日本株式會(huì)社DISCO開發(fā)出了利用激光從SiC鑄錠上切割SiC晶圓的新工藝“KABRA”，將SiC晶圓的加工時(shí)間縮短到之前的1/4，產(chǎn)量增加到之前的1.5倍，為降低SiC功率元件做出了貢獻(xiàn)。

2）GaN領(lǐng)域量產(chǎn)技術(shù)持續(xù)突破

鎵（Ga）類氮化物一直以來被認(rèn)為是高性能的半導(dǎo)體材料。在實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能的半導(dǎo)體綠色創(chuàng)新的進(jìn)程中，與GaN相關(guān)的半導(dǎo)體技術(shù)的開發(fā)與發(fā)展都扮演著很重要的角色。

2016年4月，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）與日本名古屋大學(xué)聯(lián)合設(shè)立了“產(chǎn)總研·名大 氮化物半導(dǎo)體先進(jìn)器件開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”（簡稱“GaN-OIL”），主要進(jìn)行氮化物半導(dǎo)體的功率器件技術(shù)開發(fā)和氮化物半導(dǎo)體的發(fā)光器件技術(shù)開發(fā)。

日本松下株式會(huì)社（Panasonic）作為第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的先鋒企業(yè)今年在GaN方面動(dòng)作頻頻。2016年11月，松下在慕尼黑電子展“electronica 2016”上展示了GaN功率晶體管和該器件的應(yīng)用實(shí)例，并同時(shí)宣布即將開始量產(chǎn)耐壓600V的GaN功率晶體管 “PGA26E07BA”和“PGA26E19BA”。同年12月，松下試制了耐壓為1.7kV、導(dǎo)通電阻僅1.0mΩcm²的GaN功率晶體管，并在“IEDM 2016”上進(jìn)行了發(fā)表。該產(chǎn)品是在GaN基板上制作的立式元件，其導(dǎo)通電阻比相同耐壓的SiC MOSFET還要“低”，可進(jìn)一步降低導(dǎo)通時(shí)的損失。閾值電壓為+2.5V，可常閉工作。

2016年9月，三菱電機(jī)株式會(huì)社開發(fā)出了飽和輸出功率高達(dá)220W（53.4dBm）的GaN制HEMT（高電子遷移率晶體管）“MGFS53G27ET1”，并于2016年11月1日開始樣品供貨。

日本在如火如荼地推進(jìn)SiC及GaN類功率半導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，并沒有減少對(duì)Ga₂O₃及金剛石等其他極具潛力的第三代半導(dǎo)體新材料的投入。

1）實(shí)驗(yàn)室階段半導(dǎo)體材料——氧化鎵（Ga₂O₃）

與正作為新一代功率半導(dǎo)體材料推進(jìn)開發(fā)的SiC及GaN相比，Ga₂O₃能夠低成本制作高耐壓、低損耗的功率器件，因此備受關(guān)注。從綜述部分2025年市場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出，富士經(jīng)濟(jì)也十分看好氧化鎵類功率半導(dǎo)體的未來市場(chǎng)，而且富士經(jīng)濟(jì)認(rèn)為2023年左右開始，氧化鎵類功率半導(dǎo)體很有可能會(huì)比SiC更具優(yōu)勢(shì)。

2016年9月20日，日本AIST使用該所開發(fā)的單晶Ga₂O₃成膜工藝，開發(fā)出了以Ga₂O₃為隧道阻擋層的單晶隧道磁阻（TMR）元件。該元件的磁阻變化率（存儲(chǔ)功能的性能指數(shù)）在室溫下達(dá)到極高的92％，有望成為擁有存儲(chǔ)功能的縱型自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管（縱型自旋FET）的基本構(gòu)造，可為實(shí)現(xiàn)零待機(jī)功率的常閉型計(jì)算做出貢獻(xiàn)。

2016年9月28日，日本新興企業(yè)FLOSFIA宣布，與京都大學(xué)共同成功研制出實(shí)現(xiàn)“氧化鎵（Ga₂O₃）”功率晶體管所必需的p型層。該研究小組研究的是具有“剛玉（corundum）型”晶體結(jié)構(gòu)的“α型”氧化鎵。此次，利用與α型氧化鎵一樣具有剛玉型結(jié)構(gòu)的氧化銥（Ir₂O₃）實(shí)現(xiàn)了p型層。利用該技術(shù)便可實(shí)現(xiàn)采用氧化鎵的功率MOSFET，為解決氧化鎵此前存在很難實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)p型層的課題開辟了道路。

2）終極功率器件材料——金剛石

在所有的功率器件材料中，金剛石擁有最強(qiáng)的絕緣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度和最高的載流子遷移率，而且導(dǎo)熱性非常好，是一種備受期待的終極功率器件材料。將來，金剛石功率器件將有望被應(yīng)用于汽車、新干線、飛機(jī)、機(jī)器人、人工衛(wèi)星、火箭和輸配電系統(tǒng)等領(lǐng)域，貢獻(xiàn)于節(jié)能和低碳社會(huì)。

2016年8月，日本AIST、日本金澤大學(xué)與日本電裝（DENSO）等組成的研究團(tuán)隊(duì)，成功使用金剛石半導(dǎo)體制成了反型層溝道MOSFET（金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管），并進(jìn)行了工作驗(yàn)證。

三、總結(jié)

縱觀日本最近一年在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究和應(yīng)用進(jìn)展可以發(fā)現(xiàn)，日本在全球第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域已處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，并且仍在不斷努力鞏固這種優(yōu)勢(shì)。

日本政府積極出臺(tái)政策給第三代半導(dǎo)體的研發(fā)提供政策及經(jīng)費(fèi)支持。日本的國立研發(fā)機(jī)構(gòu)積極組織具體的研究開發(fā)計(jì)劃，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研各界的合作，推進(jìn)第三代半導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)室成果向工業(yè)化轉(zhuǎn)變。日本企業(yè)持續(xù)不斷地開發(fā)更成熟的技術(shù)，提高第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量，同時(shí)積極推進(jìn)產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用。

而且，日本第三代半導(dǎo)體的發(fā)展并沒有局限于相對(duì)比較成熟的SiC和GaN，而是將目光放得更長遠(yuǎn)，堅(jiān)持挖掘和發(fā)展其他更具潛力的第三代半導(dǎo)體新型材料。

此外，無論是從專利分析的數(shù)據(jù)來看，還是從日本近一年的研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)展來看，日本在第三代半導(dǎo)體的器件領(lǐng)域成績十分突出。