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【原創(chuàng)】碳化硅:最近比較煩!


來源:中國粉體網(wǎng)   山川

[導(dǎo)讀]  碳化硅,不香了嗎?

中國粉體網(wǎng)訊  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?qiáng)悍的競爭對手。


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、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越小,性能越來越好,所以近年來電動(dòng)汽車廠商都對它青睞有加,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(shí)現(xiàn)超級快充、實(shí)現(xiàn)V2G功能等方面加足了馬力,電動(dòng)汽車銷量的不斷增長,也帶動(dòng)了市場對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(gè)電動(dòng)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(dòng),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。



圖片來源: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(jì)平均2輛特斯拉純電動(dòng)車就需要一片6寸SiC晶圓。以年產(chǎn)能100萬輛Model 3/Y計(jì),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(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看,碳化硅的應(yīng)用具有較高的性價(jià)比,單價(jià)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(jià)格高昂耗材占比過重、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”, 很難跟上他們汽車銷量的目標(biāo)。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(jì)劃,不會動(dòng)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(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)志著我國在超寬禁帶半導(dǎo)體研究上取得重要進(jìn)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(gè)掌握第四代半導(dǎo)體氧化鎵材料4英寸(001)相單晶襯底生長技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化公司。


2023年2月,中國電子科技集團(tuán)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(dá)到國際最高水平。


在后摩爾時(shí)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(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,理論擊穿場強(qiáng)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(diǎn)、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(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規(guī)模將開始超過氮化鎵,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。


中國科學(xué)院院士郝躍認(rèn)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(rèn)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。


參考來源:

[1]第四代半導(dǎo)體制備連獲突破 氧化鎵將與碳化硅直接競爭?.第一財(cái)經(jīng)

[2]特斯拉一句話,斷了「碳化硅」活路?.蓋世汽車社區(qū)

[3]驅(qū)動(dòng)單元能不能減少75%的碳化硅應(yīng)用,馬斯克說了不算 | MIRDATABANK. MIR睿工業(yè)

[4]碳化硅的“上車”時(shí)刻. 中關(guān)村智能網(wǎng)聯(lián)研究匯


(中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川)

注:圖片非商業(yè)用途,存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除


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作者:山川

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