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又一領域打破日德壟斷!第3代半導體原材料,比亞迪已能100%自產

又一領域打破日德壟斷!第3代半導體原材料,比亞迪已能100%自產

請不要再說國產汽車不行了!

就在前幾個月,國內汽車格局出現歷史性的逆轉。根據今年前4個月各大車企公佈的銷量資料,比亞迪、長城兩家國產車企旗下單車品牌雙雙超越豐田,實現了國產品牌對日本老牌車企的首次超越。其中特別值得注意的是,比亞迪戰勝豐田,完全靠的是新能源車型宋、秦兩個系列的強勢表現。而其他民營車企也紛紛加碼新能源產業。

根據2022年前4個月的車企銷量排名中,吉利、比亞迪、長城、奇瑞4家民營車企均殺入到榜單前10。隨著各國陸續公佈了燃油車退市時間,我們相信,豐田不會是最後一個被超越的老牌車企,國產新能源汽車的優勢,將逐步上升為中國汽車產業的整體優勢。

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不過,我們在加大汽車銷售力度的同時,也要注重內在研發,切不能重蹈手機和電腦“無芯可用”的覆轍。而在新能源汽車晶片重要原材料——碳化矽(SiC)的全球供應鏈上,我們一直緊跟行業步伐,甚至,在某些方面我們已經實現完全自主。

一、半導體材料的3個時代

碳化矽,化學式為SiC,是第三代半導體材料的四個主要成員之一,其他3個分別為氮化鎵、氮化鋁、氧化鋅。

需要注意,之前提到的半導體“三代”的劃分,沿用的是國內慣用的“斷代法”,而劃分依據,則主要取決於基礎材料型別、材料功能最佳化程度這兩大因素。

從材料型別來看,半導體產業先後出現3次本質性的改變:

第一次改變,是單晶矽替代單晶鎘。

由於矽元素本身難以與其他物質發生化學反應的物理特性,強化了以矽作為原材料的半導體晶片的耐高溫、抗輻射等效能。

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而極高的自然儲量,又為矽基晶片的大規模普及創造了天然條件。截至目前,全球90%以上的分立器件、積體電路,均由矽基晶片構成。而我國半導體產業的“落後”,也主要是落後在了矽基半導體方面。

一直以來,歐美國家在矽基大尺寸晶圓、相關晶片製程方面,已經形成高度成熟的閉環產業鏈。中國想要在這一領域追趕上來,只能一道關一道關地硬闖,毫無捷徑可言。

從第二代半導體開始,半導體材料進入化合物材料階段。

上世紀70年代,以砷化鎵、磷化銦為代表的二代半導體,進入到半導體產業鏈當中。相比一代半導體,二代半導體幾乎不受摩爾定律限制,同時具備更低的載流子濃度和更優秀的耐熱、抗輻射效能。

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就功能而言,二代半導體已經具備取代矽基晶片的資格。然而很可惜,鎵、銦等元素,均為地殼內含量低於0。02%的稀有金屬,開採成本極高。此外,其加工過程對環境的負面影響也非常明顯。

兩方面因素限制,使二代半導體的應用範圍僅侷限於少數高頻、大功率電子器件領域。那麼,是否有哪種材料,既能解決效能問題,同時在自然就中儲量極高,且容易生產呢?

二、為什麼碳化矽材料這麼重要?

時間來到上世紀90年代,同時具備耐高溫、耐高壓、高功率、低導通電阻等卓越效能於一身的三代半導體材料面世。其中的碳化矽,最受高新科技行業的關注,甚至被業內人士譽為“新一代電子產品的核心材料”。那麼碳化矽究竟有哪些優勢?

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1、禁頻寬度更高

拿矽材料作比,碳化矽的禁頻寬度是矽的3倍,而擊穿場強是矽的7倍左右,以上兩個特性,使碳化矽半導體在高壓高功率場景的表現明顯優於單矽器件。

2、散熱效能更好

此外,碳化矽的熱導率是矽的3。3倍,散熱效能良好。這個特點為碳化矽器件縮小體積創造了天然條件,很好地契合了當前電子元件小型化的行業需求。

3、自然界存量高

碳化矽由碳和矽兩種元素構成,兩者在自然界中的存量都極高。而且,其提取、加工難度也明顯低於二代半導體們。

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由於具有的耐高壓、耐高溫、低損耗、膨脹係數小等特殊效能,碳化矽也成為近年來半導體領域最熱門的材料。在新能源汽車、光伏、家電等領域,有著廣泛的應用。

那麼,我國在碳化矽方面,發展如何呢?

三、為什麼說碳化矽是中國半導體逆襲的關鍵?

與傳統半導體動輒“二、三十年差距”有所不同,以碳化矽為主的三代半導體賽道上,國內外企業大體上處於同一起跑線。拿最關鍵的襯底環節來說,國內外企業之間的差距僅有5年左右。

自20世紀70年代美國企業開始研發碳化矽,的確具有一定的領先優勢,截止到2021年,美國科銳公司在碳化矽襯底業務上,佔據40%左右的市場份額。其他份額,由歐洲的英飛凌、意法半導體分而居之。

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在成品份額方面,以美國科銳、日本富士電機、德國英飛凌為首的國際巨頭,佔據全球90%以上的市場份額。看似形成了類似矽基半導體產業的“壟斷”局面,但實際上,在SiC器件製造的各個階段,都有國產企業緊隨其後。

比如在襯底方面,有山東天嶽、北京天科合達等企業,已經可以供應3到6英寸單晶襯底;外延方面,也有東莞天域、廈門瀚天天成提供配套外延服務。特別是在碳化矽器件設計、製造、封裝等領域,以三安光電、比亞迪為代表的一眾國內企業,分別取得了不俗的突破。

比如三安光電曾對外透漏,其應用SiC襯底的Mosfet晶片也已進入產品驗證週期,距離投入市場僅一步之遙。而比亞迪“漢”系列車型的碳化矽功率器件,已經實現了100%自給自足。

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在技術緊密追趕的同時,國產碳化矽還有一個得天獨厚的優勢:每年翻倍增長的國內新能源汽車產業。

四、結語

根據英飛凌的預測,到2025年,碳化矽器件在新能源車中的滲透率有望提升至20%。另據國際能源署預測,到2030年,全球新能源汽車保有量將達到2。45億輛左右。

考慮到我國新能源汽車高達65%的全球市場份額,新能源汽車發展形勢的總體向好,無疑會帶動國內SiC配套技術的快速進步。和發展近百年、產業佈局高度成熟的矽基半導體相比,化合物半導體的出現,無疑為中國企業在半導體領域的崛起,提供了新思路和新賽道。

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當前我國的SiC產業,在上游材料、裝置研發、人才梯隊建設等方面,已經基本做到了與歐美企業並駕齊驅,而在襯底、產品良率、大尺寸晶圓製作等方面的短板,也必將隨著新能源汽車、5G通訊等配套產業的完善,得到顯著改善。

相信在市場、技術、人才,三者俱全的條件下,國產碳化矽實現對國際領先技術的超越,很快就能到來。