碳化硅，作為目前發(fā)展最成熟的第三代半導(dǎo)體材料，是近年來最火熱的材料之一。尤其是在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，碳化硅被深度綁定新能源汽車、光伏、儲能等節(jié)能減碳行業(yè)，萬眾矚目。因此，有人稱其是一種“正在離地起飛的半導(dǎo)體材料”。
但是，最近這種“正在離地起飛的材料”似乎遇到了一些麻煩，一方面是特斯拉宣布減少75%的碳化硅應(yīng)用讓其陷入“失寵”的輿論漩渦；另一方面，隨著第四代半導(dǎo)體氧化鎵單晶及外延技術(shù)的接連突破，碳化硅或?qū)⒂瓉韽姾返母偁帉κ帧?br/>
馬斯克的攪局
相比于第一代和第二代半導(dǎo)體材料，SiC具有一系列優(yōu)良的物理化學(xué)特性，除了禁帶寬度，還具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度和高遷移率等特點。和傳統(tǒng)的硅相比，碳化硅的使用極限性能優(yōu)于硅，可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求。
碳化硅材料能夠把器件體積做的越來越小，性能越來越好，所以近年來電動汽車廠商都對它青睞有加，使其成為HEV電力驅(qū)動裝置中的理想器件，可以顯著減小電力電子驅(qū)動系統(tǒng)的體積、重量和成本，提高電機驅(qū)動的功率密度，從而增加電動車的行駛里程。
5年前特斯拉率先在Model 3主驅(qū)逆變器上使用碳化硅，開辟了碳化硅“上車”的先河。之后，比亞迪、吉利、上汽大眾、蔚來等車企加速布局，在提高續(xù)航里程、實現(xiàn)超級快充、實現(xiàn)V2G功能等方面加足了馬力，電動汽車銷量的不斷增長，也帶動了市場對碳化硅功率器件的需求，頓時掀起了一股持續(xù)至今的碳化硅“上車熱”。
布局碳化硅“上車”的部分車企，來源：中關(guān)村智能網(wǎng)聯(lián)研究匯
然而，就在碳化硅讓整個電動汽車產(chǎn)業(yè)徹底“著迷”之際，3月2日，在特斯拉投資者大會上，特斯拉方面表示，下一代平臺將減少75%的碳化硅用量，消息一出，立馬引起了全球碳化硅板塊股票市場的波動，也引發(fā)產(chǎn)業(yè)界各種猜測。
剛上車的碳化硅這么快就要被“趕下車”了嗎？
據(jù)有些業(yè)內(nèi)人士分析，特斯拉減少碳化硅用量，主要用意是降低成本，提升產(chǎn)量。
在特斯拉投資者大會上，特斯拉透露，到2022年，Model 3每輛車的成本已經(jīng)降低30%，但“下一代汽車平臺”有望再降低50%的成本，這意味著下一代平臺汽車的總擁有成本也將低于其目前的所有車型。
一方面，特斯拉碳化硅用量很大。東吳證券在相關(guān)報告中提到，據(jù)市場估算，特斯拉未來將逐步將碳化硅使用至OBC、充電器、快充電樁等，預(yù)計平均2輛特斯拉純電動車就需要一片6寸SiC晶圓。以年產(chǎn)能100萬輛Model 3/Y計，公司一年需要超50萬片6寸晶圓，而目前全球SiC晶圓總年產(chǎn)能在40萬-60萬片。這意味著，特斯拉一家企業(yè)就能消耗掉當下全球碳化硅總產(chǎn)能。
另一方面，碳化硅成本仍很高。據(jù)了解，從全生命周期的角度來看，碳化硅的應(yīng)用具有較高的性價比，單價成本雖然會上升，但系統(tǒng)成本將會大幅下降。不過，短期內(nèi)的成本提升并不能忽略。碳化硅制備過程中一次性價格高昂耗材占比過重、制備工藝實現(xiàn)條件難度大、制備污染處理費用高以及晶體微管密度高等等原因是導(dǎo)致碳化硅成本高昂的重要原因。
因此，業(yè)內(nèi)人士分析，在宏大的降本目標下，碳化硅目前存在著的制備成本高、成品良率低等“慢節(jié)奏”，很難跟上他們汽車銷量的目標。因此，以特斯拉現(xiàn)在面臨的投資壓力預(yù)測減少碳化硅的使用或許只是其短期內(nèi)的計劃，不會動搖碳化硅“上車”的大趨勢。
第四代半導(dǎo)體氧化鎵制備頻獲突破，或?qū)⑴c碳化硅直接競爭
3月14日，西安郵電大學(xué)宣布，該校陳海峰教授團隊成功在8英寸硅片上制備出了高質(zhì)量的氧化鎵外延片，這一成果標志著我國在超寬禁帶半導(dǎo)體研究上取得重要進展。
圖片來源：西安郵電大學(xué)
從去年至今，我國氧化鎵半導(dǎo)體制備技術(shù)已經(jīng)屢獲突破。從去年的2英寸襯底到6英寸襯底，再到最新的8英寸外延片，我國氧化鎵半導(dǎo)體制備技術(shù)越來越成熟。
2022年5月，浙大杭州科創(chuàng)中心首次采用新技術(shù)路線成功制備2英寸(50.8 mm)的氧化鎵晶圓，而使用這種具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)生產(chǎn)的2英寸氧化鎵晶圓在國際上為首次。
氧化鎵單晶（來源：浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心）
2022年12月，銘鎵半導(dǎo)體完成了4英寸氧化鎵晶圓襯底技術(shù)突破，成為國內(nèi)首個掌握第四代半導(dǎo)體氧化鎵材料4英寸（001）相單晶襯底生長技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化公司。
2023年2月，中國電子科技集團有限公司（中國電科）宣布，中國電科46所成功制備出我國首顆6英寸氧化鎵單晶，達到國際最高水平。
在后摩爾時代，具有先天性能優(yōu)勢的寬禁帶半導(dǎo)體材料脫穎而出，而氧化鎵的出現(xiàn)，為產(chǎn)業(yè)帶來了新風向。
據(jù)了解，作為超寬禁帶半導(dǎo)體材料的一種，氧化鎵禁帶寬度達到4.9eV，超過第三代半導(dǎo)體材料（寬禁帶半導(dǎo)體材料）的碳化硅（3.2eV）和氮化鎵（3.39eV）。更寬的禁帶寬度意味著電子需要更多的能量從價帶躍遷到導(dǎo)帶，因此氧化鎵具有耐高壓、耐高溫、大功率、抗輻照等特性。
此外，氧化鎵的導(dǎo)通特性約為碳化硅的10倍，理論擊穿場強約為碳化硅3倍多，可以有效降低新能源汽車、軌道交通、可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域在能源方面的消耗。數(shù)據(jù)顯示，氧化鎵的損耗理論上是硅的1/3000、碳化硅的1/6、氮化鎵的1/3。
不過，由于高熔點、高溫分解以及易開裂等特性，大尺寸氧化鎵單晶制備極為困難。此外，氧化鎵熱導(dǎo)率僅為碳化硅的十分之一，是硅的五分之一，這也就意味著以氧化鎵為材料基礎(chǔ)的半導(dǎo)體器件存在著很大的散熱難題，業(yè)界也一直在尋求更好的方法去優(yōu)化和改善這一問題。
但可以肯定的是，氧化鎵是一個很好的半導(dǎo)體材料。盡管氧化鎵發(fā)展尚處于初期階段，但其市場前景依然備受期待。日本氧化鎵領(lǐng)域知名企業(yè)FLOSFIA預(yù)計，2025年氧化鎵功率器件市場規(guī)模將開始超過氮化鎵，2030年達到15.42億美元（約合人民幣100億元），達到碳化硅的40%，氮化鎵的1.56倍。
中國科學(xué)院院士郝躍認為，氧化鎵材料是最有可能在未來大放異彩的材料之一，在未來的10年左右，氧化鎵器件有可能成為有競爭力的電力電子器件，會直接與碳化硅器件競爭。業(yè)內(nèi)也普遍認為，未來，氧化鎵有望替代碳化硅和氮化鎵成為新一代半導(dǎo)體材料的代表。
來源：粉體網(wǎng)