碳化硅，作為目前發(fā)展最成熟的第三代半導體材料，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%的碳化硅應用讓其陷入“失寵”的輿論漩渦；另一方面，隨著第四代半導體氧化鎵單晶及外延技術的接連突破，碳化硅或將迎來強悍的競爭對手。
馬斯克的攪局
相比于第一代和第二代半導體材料，SiC具有一系列優(yōu)良的物理化學特性，除了禁帶寬度，還具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度和高遷移率等特點。和傳統的硅相比，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電力驅動裝置中的理想器件，可以顯著減小電力電子驅動系統的體積、重量和成本，提高電機驅動的功率密度，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、實現超級快充、實現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：中關村智能網聯研究匯
然而，就在碳化硅讓整個電動汽車產業(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？
據有些業(yè)內人士分析，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。東吳證券在相關報告中提到，據市場估算，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能。
另一方面，碳化硅成本仍很高。據了解，從全生命周期的角度來看，碳化硅的應用具有較高的性價比，單價成本雖然會上升，但系統成本將會大幅下降。不過，短期內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致碳化硅成本高昂的重要原因。
因此，業(yè)內人士分析，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，以特斯拉現在面臨的投資壓力預測減少碳化硅的使用或許只是其短期內的計劃，不會動搖碳化硅“上車”的大趨勢。
第四代半導體氧化鎵制備頻獲突破，或將與碳化硅直接競爭
3月14日，西安郵電大學宣布，該校陳海峰教授團隊成功在8英寸硅片上制備出了高質量的氧化鎵外延片，這一成果標志著我國在超寬禁帶半導體研究上取得重要進展。
圖片來源：西安郵電大學
從去年至今，我國氧化鎵半導體制備技術已經屢獲突破。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，我國氧化鎵半導體制備技術越來越成熟。
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權技術生產的2英寸氧化鎵晶圓在國際上為首次。
氧化鎵單晶（來源：浙江大學杭州國際科創(chuàng)中心）
2022年12月，銘鎵半導體完成了4英寸氧化鎵晶圓襯底技術突破，成為國內首個掌握第四代半導體氧化鎵材料4英寸（001）相單晶襯底生長技術的產業(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)勢的寬禁帶半導體材料脫穎而出，而氧化鎵的出現，為產業(yè)帶來了新風向。
據了解，作為超寬禁帶半導體材料的一種，氧化鎵禁帶寬度達到4.9eV，超過第三代半導體材料（寬禁帶半導體材料）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)電等領域在能源方面的消耗。數據顯示，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的半導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。日本氧化鎵領域知名企業(yè)FLOSFIA預計，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體材料的代表。
來源：粉體網