碳化硅：最近比較煩！

最成熟的第三代半導(dǎo)體材料，是近年來(lái)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(chē)、光伏、儲(chǔ)能等節(jié)能減碳行業(yè)，萬(wàn)眾矚目。因此，有人稱(chēng)其是一種“正在離地起飛的半導(dǎo)體材料?！?/p>

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?lái)強(qiáng)悍的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

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(chǎng)、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(diǎn)。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(lái)越小，性能越來(lái)越好，所以近年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)廠商都對(duì)它青睞有加，使其成為HEV電力驅(qū)動(dòng)裝置中的理想器件，可以顯著減小電力電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積、重量和成本，提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率密度，從而增加電動(dòng)車(chē)的行駛里程。 5年前特斯拉率先在model3主驅(qū)逆變器上使用碳化硅，開(kāi)辟了碳化硅“上車(chē)”的先河。之后，比亞迪、吉利、上汽大眾、蔚來(lái)等車(chē)企加速布局，在提高續(xù)航里程、實(shí)現(xiàn)超級(jí)快充、實(shí)現(xiàn)V2G功能等方面加足了馬力，電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量的不斷增長(zhǎng)，也帶動(dòng)了市場(chǎng)對(duì)碳化硅功率器件的需求，頓時(shí)掀起了一股持續(xù)至今的碳化硅“上車(chē)熱”。

布局碳化硅“上車(chē)”的部分車(chē)企，來(lái)源：中關(guān)村智能網(wǎng)聯(lián)研究匯 然而，就在碳化硅讓整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)徹底“著迷”之際，3月2日，在特斯拉投資者大會(huì)上，特斯拉方面表示，下一代平臺(tái)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(chǎng)的波動(dòng)，也引發(fā)產(chǎn)業(yè)界各種猜測(cè)。 剛上車(chē)的碳化硅這么快就要被“趕下車(chē)”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(huì)上，特斯拉透露，到2022年，Model 3每輛車(chē)的成本已經(jīng)降低30%，但“下一代汽車(chē)平臺(tái)”有望再降低50%的成本，這意味著下一代平臺(tái)汽車(chē)的總擁有成本也將低于其目前的所有車(chē)型。

圖片來(lái)源：特斯拉一方面，特斯拉碳化硅用量很大。東吳證券在相關(guān)報(bào)告中提到，據(jù)市場(chǎng)估算，特斯拉未來(lái)將逐步將碳化硅使用至OBC、充電器、快充電樁等，預(yù)計(jì)平均2輛特斯拉純電動(dòng)車(chē)就需要一片6寸SiC晶圓。以年產(chǎn)能100萬(wàn)輛Model 3/Y計(jì)，公司一年需要超50萬(wàn)片6寸晶圓，而目前全球SiC晶圓總年產(chǎn)能在40萬(wàn)~60萬(wàn)片。這意味著，特斯拉一家企業(yè)就能消耗掉當(dāng)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(lái)看，碳化硅的應(yīng)用具有較高的性?xún)r(jià)比，單價(jià)成本雖然會(huì)上升，但系統(tǒng)成本將會(huì)大幅下降。不過(guò)，短期內(nèi)的成本提升并不能忽略。碳化硅制備過(guò)程中一次性?xún)r(jià)格高昂耗材占比過(guò)重、制備工藝實(shí)現(xiàn)條件難度大、制備污染處理費(fèi)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(biāo)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(chē)銷(xiāo)量的目標(biāo)。因此，以特斯拉現(xiàn)在面臨的投資壓力預(yù)測(cè)減少碳化硅的使用或許只是其短期內(nèi)的計(jì)劃，不會(huì)動(dòng)搖碳化硅 “上車(chē)”的大趨勢(shì)。

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(jìng)爭(zhēng)

3月14日，西安郵電大學(xué)宣布，該校陳海峰教授團(tuán)隊(duì)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(biāo)志著我國(guó)在超寬禁帶半導(dǎo)體研究上取得重要進(jìn)展。

從去年至今，我國(guó)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(guó)氧化鎵半導(dǎo)體制備技術(shù)越來(lái)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(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)生產(chǎn)的2英寸氧化鎵晶圓在國(guó)際上為首次。

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(guó)內(nèi)首個(gè)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(zhǎng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化公司。 2023年2月，中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司（中國(guó)電科）宣布，中國(guó)電科46所成功制備出我國(guó)首顆6英寸氧化鎵單晶，達(dá)到國(guó)際最高水平。 在后摩爾時(shí)代，具有先天性能優(yōu)勢(shì)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(lái)了新風(fēng)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(dá)到4.9eV，超過(guò)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(jià)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(chǎng)強(qiáng)約為碳化硅3倍多，可以有效降低新能源汽車(chē)、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(guò)，由于高熔點(diǎn)、高溫分解以及易開(kāi)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(wèn)題。 但可以肯定的是，氧化鎵是一個(gè)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(chǎng)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(jì)，2025年氧化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模將開(kāi)始超過(guò)氮化鎵，2030年達(dá)到15.42億美元（約合人民幣100億元），達(dá)到碳化硅的40%，氮化鎵的1.56倍。 中國(guó)科學(xué)院院士郝躍認(rèn)為，氧化鎵材料是最有可能在未來(lái)大放異彩的材料之一，在未來(lái)的10年左右，氧化鎵器件有可能成為有競(jìng)爭(zhēng)力的電力電子器件，會(huì)直接與碳化硅器件競(jìng)爭(zhēng)。業(yè)內(nèi)也普遍認(rèn)為，未來(lái)，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。

審核編輯 ：李倩