性能强过碳化硅！第三代半导体材料之后第四代呼之欲出 日本已重金加码

《科创板日报》（上海，研究员 何律衡）讯， 近期，以氮化镓、碳化硅为首的第三代半导体材料在A股市场引领了一波 科技 股回暖的热潮，引发市场对功率半导体的瞩目。与此同时，在该领域走在全球前列的日本，却已向号称第四代半导体的氧化镓展露了野心。

据日本媒体最新报道，日本经济产业省（METI）正准备为致力于开发新一代低能耗半导体材料“三氧化镓”的私营企业和大学提供财政支持，METI将为明年留出大约2030万美元的资金，预计未来5年的投资额将超过8560万美元。

在此基础上，第三代半导体材料由于普遍具有直接禁带结构，且禁带宽度更大、电子饱和漂移速度更高等特点，被越来越多地应用到功率半导体上。

在这其中，碳化硅和氮化镓当前应用最为广泛，前者具有宽禁带、高临界击穿电场、高饱和电子迁移速度和高热导率等特性，已在新能源 汽车 的电源管理中有所应用，后者则具有宽禁带、高饱和电子漂移速度、高电子迁移率等物理特性，在消费电子快充产品上得以应用。

而氧化镓被认为是继碳化硅和氮化镓之后的“第三代用于功率元件的宽禁带半导体”。这种材料最初计划用于LED（发光二极管）基板、深紫外光（Deep Ultra Violet）受光素子等，在近十年才被应用于功率半导体方向，继而引发全球研发的热潮。

研究表明，氧化镓的禁带宽度为4.9eV，超过碳化硅、氮化镓等材料，采用禁带更宽的材料可以制成系统更薄、更轻、功率更高的功率器件；击穿场强高于碳化硅和氮化硅，目前 β-Ga2O3 的击穿场强可以达到 8MV/cm，是碳化硅的两倍。

中银证券分析师赵琦3月27日报告指出，氧化镓更有可能在扩展超宽禁带系统可用的功率和电压范围方面发挥作用，其中最有希望的应用可能是电力调节和配电系统中的高压整流器，如电动 汽车 和光伏太阳能系统。

不过，氧化镓的导热率低，散热性能差是限制氧化镓市场运用的主要因素。氧化镓的热管理研究是当前各国研究的主要方向。赵琦认为，如若未来氧化镓的散热问题被攻克，氧化镓将是未来高功率、高压运用的功率半导体材料的有力竞争者。

据外媒报道，今年4月，美国纽约州立大学布法罗分校（the University at Buffalo）正在研发一款基于氧化镓的晶体管，能够承受8000V以上的电压，而且只有一张纸那么薄，将用于制造更小、更高效的电子系统，用在电动 汽车 、机车和飞机上，用于控制和转换电子，同时帮助延长此类交通工具的续航里程。

除了美国之外，从全球范围来看，日本作为全球首个研究氧化镓材料的国家，同样具备竞争优势。METI认为，日本公司将能够在本世纪20年代末开始为数据中心、家用电器和 汽车 供应基于氧化镓的半导体。一旦氧化镓取代目前广泛使用的硅材料，每年将减少1440万吨二氧化碳的排放。

“事实上，日本在氧化镓相关技术方面远远领先于包括韩国在内的竞争对手，”该行业的一位专家向媒体表示，“一旦氧化镓成功商业化，将适用于许多领域，因为它可以比其他材料更大幅度地降低半导体制造成本。”

而在中国，尽管起步较晚，但对于氧化镓的研究也同样不断推进状态中。据国内媒体报道，在去年举行的全国 科技 活动周上，北京镓族 科技 公司公开展示了其研发的氧化镓晶胚、外延片以及基日盲紫外线探测阵列器件。

此外，中国电科46所采用导模法成功已制备出高质量的4英寸氧化镓单晶，其宽度接近100mm，总长度达到250mm，可加工出4英寸晶圆、3英寸晶圆和2英寸晶圆。经测试，晶体具有很好的结晶质量，将为国内相关器件的研制提供有力支撑。

而日本的九州当时能够成为日本半导体产业的中心，主要是两个原因造成的。首先日本九州一直得到日本政府的扶持，日本政府也对九州进行半导体产业发展出台了非常多的优惠政策，政府的态度可以说支撑着九州不断发展。

要知道在第3次科技革命的时候，半导体产业才逐渐发展起来。当时在美国这个产业最先发展，之后日本就也开始关注起这一行业发现了半导体行业的巨大潜力。在上个世纪60年代，日本就开始对国内的这种半导体产业进行扶持，并且专门让很多人力劳动力用于进行电路方面的研究工作。在1985年的时候九州开始大面积地进行这种半导体产业，并且成为了当时全世界仅次于硅谷的第二大工业集中区。

日本九州的成功主要是两个原因造成的。第1个原因就是当地的自然条件。要知道当地的气候非常温和并且雨水也非常充足。在九州拥有着非常丰富的水资源和当时的自然环境是非常好的，就是因为这种自然条件也推动了半导体工业的不断发展。因为工人在进行电路生产的时候，往往需要利用很多水资源。所以只有水资源充足的地区才能进行这项工作。再加上当时进行这一产业，必须要用水质非常高的水源进行加工，所以对自然环境本身要求就比较高。

第2个原因就是政府的扶持。当时九州政府认识到了半导体产业背后的巨大潜力，所以专门出台了各种优惠政策和鼓励措施，鼓励当时工人从事这一行业。不仅如此，当时九州的企业也相互配合，推动半导体产业的不断发展，形成了一个非常完善的产业链。企业之间不断进行合作，才能让这一行业不断发展下去。

自日本对三种高 科技 材料实施出口管制近三年以来，韩国尚未建立完全独立于日本生产商的国内供应链。

前韩国总统文在寅很早在 5 月 9 日大约 10 分钟的告别演说中就提到了贸易摩擦。

“我不会忘记整个国家如何团结起来克服日本不公平的出口管制带来的危机，”文在寅说。

这些变化意味着日本企业必须单独申请氟化氢、用于极紫外光刻的光刻胶和氟化聚酰亚胺的出口许可证。

METI 表示，它只是在实施通常需要的出口程序。但韩国政府强烈谴责这些措施。韩国将其解释为对 2018 年 10 月最高法院裁决下令现在的新日铁向前韩国战时劳工支付赔偿金的经济报复。

韩国人抵制日本产品以应对出口管制。据说东京和首尔之间的关系已跌至战后最低点。

文在寅访问了韩国芯片制造材料制造商，以争取对国家自给自足的支持。他的政府每年拨出约 2 万亿韩元（按当前汇率计算为 15.5 亿美元）来资助研发，以“化危机为机遇”。

但韩国国际贸易协会的数据与文在寅的言论相矛盾。

氟化氢方面，2019 年 6 月后，从日本进口的价值大幅下降。与 2018 年相比，2020 年下降 86%，2021 年同比反d 34%。2022 年 1 月至 4 月期间，进口量同比增长 30%。

光刻胶进口量在 2020 年实现了两位数的同比增长，而氟化聚酰亚胺的进口量仅略有下降。

“除了氟化氢之外，没有任何特殊影响，”一位日本材料制造商的消息人士说。

2021 年，韩国从日本进口的最大半导体制造设备进口额同比增长 44%，达到 63 亿美元。韩国与日本的贸易逆差全面扩大。

IBK Securities 专门研究材料行业的分析师 Lee Geon-jae 表示：“现有的半导体生产线需要停止以使用替代材料，因此芯片制造商不愿采用额外的本土产品。”

在实现自给自足方面缺乏进展反映在韩国股市。Soulbrain Holdings 建立了生产国产氟化氢的品牌，其股价从 2019 年 6 月开始飙升，一度触及 70000 韩元。最近它已经跌破 20000 韩元，创下六年来的最低点。

与此同时，日本当局的行为显然引起了韩国企业的不信任。

芯片制造巨头三星电子和 SK 海力士痛苦地意识到关闭工厂的风险。这导致向可以替代日本制造材料的供应商提供财政支持和技术转让。

三星从半导体和显示器中获得近 1000 亿美元的年收入——是日本最大的芯片制造商铠侠控股的八倍。三星是日本供应商的主要客户。韩国本土材料供应链将对日本工业造成打击。

现在的焦点转移到韩国新总统尹锡烈政府的下一步行动上。6 月 16 日发布的经济议程中没有提到日本自由供应链或本地化的字眼。

尹锡烈在试图解冻双边关系时可能希望避免激怒日本。但首尔没有理由停止尝试转向国内生产。

“从经济安全的角度来看，本土的材料供应是必要的，”尹锡烈政府内部人士表示。

为韩国打下半导体产业基础的"元老"、前三星电子半导体研究所所长Kim Kwang-gyo愁云满面。Kim Kwang-gyo在接受《韩国经济新闻》采访时表示:"现在是竞争国家如何投资、技术水平如何都一目了然的'开卷'竞争时代,韩国政府似乎把半导体产业看的太轻松了"。Kim Kwang-gyo认为韩国政府层面对半导体产业的投资和支援远远不足。

Kim Kwang-gyo于1979年在三星电子设立第一个半导体研究所,并担任了4年的第一任研究所所长。到2000年代初为止,Kim Kwang-gyo历任三星电子美国普林斯顿研究所所长、韩国半导体显示器技术学会首任会长等职务。

据韩国半导体显示器学会消息，美国政府宣布，从今年开始到2026年为止，将投入105亿美元，培养半导体人才。中国台湾地区制定了每年确保1万名新半导体人才的战略。

Kim Kwang-gyo斩钉截铁地说，“韩国政府首先应该改变对半导体产业的犹豫态度。如果不能解决人力不足或产业规制问题,韩国半导体产业可能会在几年内倒闭。政府和学界等应该积极支援并推动企业发展半导体产业。"

Kim Kwang-gyo还表示，失去半导体第一的位置就等于失去了所有未来增长动力。因为智能手机、 汽车 、机器人等领域的半导体产品数量正在持续增加。预计世界半导体销售额将从去年的702万亿韩元（1人民币约合193韩元）增长到2030年的1268万亿韩元。

三星电子1974年以50万美元收购了韩国半导体,开始了半导体事业。"三星在一开始并没有做好半导体业务。" Kim Kwang-gyo回忆说，在初期,三星电子还被评价为技术能力落后于美国和日本10年以上。"当时甚至有职员说如果被调到半导体,就会辞职,半导体业务的发展环境非常恶劣。"

Kim Kwang-gyo还表示，当时三星电子向日本提出技术合作或技术引进，日方称“你们还没有达到合作的水平”。“那种被蔑视的感受，记忆犹新。”Kim Kwang-gyo回忆称，“在这种情况下，已故三星电子前会长李秉喆表示，总有一天会有机会的， 一定要拿行业第一。从那时开始三星电子集中精力进行技术、人力投资。"

Kim Kwang-gyo表示,持续的投资造就了领先的三星电子， 其中也有运气的成分。20世纪80年代，随着低利率、低油价、低韩元价值等"三低利好"的到来，三星电子半导体的地位迅速上升。

"认真准备才能抓住机会,这一点无论是上世纪7、80年代，还是现在都一样"Kim Kwang-gyo表示，要展望10年后、20年后,从现在一步一步地做准备。

《金融时报》6月26日谈到了日本的半导体人才问题，东芝、索尼等日本最大的半导体制造商警告称，政府振兴国内芯片行业之举正受到工程师短缺的威胁。

在预计出现劳动力短缺之际，日本正努力增加半导体投资，以加强经济安全，应对新冠疫情下，供应链中断和芯片短缺的问题。

上个月，一家电子行业机构在向日本经济产业省发出的呼吁中表示，截至2030年的未来五年是日本半导体行业在多年失去全球市场份额后“重新站稳脚跟的最后也是最大机会”。

日本电子信息技术产业协会表示，该行业的成功取决于能否获得足够的人才来创新和运营其芯片工厂。据估计，在未来10年，8家大型生产商将需要招聘约3.5万名工程师，以跟上投资的步伐。

日本半导体产业协会半导体委员会政策提案工作组负责人、东京科学大学教授Hideki Wakabayashi表示：“人们经常说半导体缺乏，但工程师才是最缺的。”

20世纪80年代末，日本半导体公司大手笔扩大生产，超过了美国，占据全球市场份额的一半以上。但在与华盛顿发生激烈的贸易冲突后，日本将主导地位拱手让给了韩国和中国大陆的公司。

这导致了2008年全球金融危机后工程师的大规模裁员。Hideki Wakabayashi说，这就是今天没有足够资深经验工程师的原因。

闪存制造商铠侠（JEITA工作组的一部分）的经理Toyoki Mitsui表示，大学学习半导体的学生现在倾向于加入金融机构或 科技 公司，因为芯片行业早已失去吸引力。

为了刺激创新和培养未来的员工，东芝、索尼和其他公司正在与全国最好的理科大学合作，并为芯片研究和招聘投入更多资金。

上个月，美国总统乔·拜登和日本首相岸田文雄承诺加强半导体制造能力，并在开发先进芯片方面加强合作。

台积电正与索尼联手，在南部九州岛建设一家价值86亿美元的工厂，计划为该工厂招聘约1700名工人。政府表示，将提供高达4760亿元人民币（35亿美元）的补贴。

越来越多的工厂即将投产。铠侠与其合资伙伴西部数据正斥资近1万亿日元在日本中部建造一家工厂，该工厂将于今年秋季投产。此外，其还会再拨款1万亿日元，在日本北部建造一家定于明年完工的工厂。

瑞萨电子将投资900亿日元，重启2014年关闭的一家工厂，以扩大电动 汽车 用功率半导体的生产。Recruit的顾问Kazuma Inoue指出：“直到20世纪10年代中期，日本在投资和招聘方面一直与世界其他国家存在分歧，尽管全球芯片产业规模已经翻了一番。”

然而Kazuma Inoue表示，很难找到工人。根据日本统计局发布的数据，25岁至44岁的电子元件、设备和电路从业人员数量从2010年的38万人下降到2021的24万人。

东芝电子元件部门的某高管Takashi Miyamori表示：“大多数日本理科学生对IT更感兴趣，而不一定是半导体，全球各地都在争夺最优秀的工程师，我们需要找到提高竞争力的方法。”

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