车企“变心”，半导体材料争宠|带隙|氮化镓|砷化镓|碳化硅

距离特斯拉把碳化硅炒火又抛弃还没过去多久，氮化镓、氧化镓又成了潜力选手。

何谓三代半导体材料？

前段时间马自达与日本半导体企业罗姆宣布联合开发采用下一代半导体技术——氮化镓（GaN）功率半导体的汽车零部件。很多人听说“氮化镓”可能是在中美贸易战的半导体原材料管制加码中，也可能是在消费电子新品宣传中，但是在汽车上恐怕还是少见。

半导体材料发展至今已经商用了三代材料技术，第一代就是硅、锗；第二代就是砷化镓、磷化铟，主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料；第三代材料就是碳化硅、氮化镓、氧化锌等宽禁带半导体材料。

半导体之所以能在绝缘体和导体之间切换，是因为被原子核束缚的电子接受一定能量之后，可以从价电带迁移到导电带成为自由电子，从而导电。

禁带宽度（带隙）指的就是能使价电子脱离束缚的最小能量，因此禁带宽度越窄，半导体越容易在温度升高、受到辐射等情况下，成为导体。相反，禁带宽度越宽，半导体则需要更多的能量输入才能导电。

传统的半导体材料在室温中的禁带宽度一般小于3eV（电子伏特），例如锗为0.66eV，硅为1.12eV；新型宽禁带材料的带隙超过3eV，上述碳化硅为3.26eV、氮化镓为3.4eV。

和传统半导体材料相比，更宽的带隙允许材料在更高的温度、更强的电压、辐射条件下与更快的开关频率下运行；此外，由于宽禁带半导体材料还具备导通电阻更小的特点，功率损耗会更低。因此半导体行业曾预计，宽禁带半导体材料在大功率、高频电子元器件等领域会有广泛应用。

而上世纪九十年代开始起步的氮化镓，用来做高性能射频芯片，性能是目前最好的。

中国电信重庆分公司一位技术人员告诉记者，目前大部分4G、5G消费级别的手机，它们的射频芯片一直用的是砷化镓，如果要用其他的化合物半导体或者硅基材料来做射频芯片，虽然也能勉强做出来，但是采用的工艺不同，芯片性能会差很远，“且替代周期往往需要好几年时间，势必付出高昂成本”。这就是金属镓的重要性所在。

那么在汽车上它又有什么不可替代的作用？

寻找材料的“天赋”上限

其实氮化镓就是要替代现有新能源车上、已成熟的碳化硅。

2018年，特斯拉的“销量神器”Model 3发布高续航版，将电驱系统逆变器等器件上的硅基IGBT功率模块，用意法半导体所生产的650V（伏特）碳化硅MOSFET模块所替代——这就是彼时业界要寻找的“降本不降质”秘方。

电动车中，动力电池是直流电，而电机工作需要交流电。逆电器的工作就是要把直流电转换为交流电再输出给电机，成为汽车行驶的动力，其中的转换效率就是决定电动车续航里程的关键。

其次还有车载充电机（On-Board Charger，OBC）和直流-直流转换器（DC/DC）这类“小三电”，它们同样可以应用碳化硅制作的晶体管。

OBC负责把外部的交流电源转换为直流电，为动力电池充电；DC/DC则负责将动力电池的几百伏特的高压直流电转换为汽车各个用电设备所需的低压直流电。

每一个都涉及能量之间的转换，怎么能“吃得多、消化好、少浪费”呢？为了提高转换效率，特斯拉一手将碳化硅捧上“神坛”：碳化硅功率器件凭借自身特性，只需要做到传统硅基器件体积的十分之一，就能实现同样的功率转化。

随后，“800V快充平台”成为中高端电动车趋势，保时捷、蔚来、小鹏等部分车型均采用了碳化硅器件，新能源车、充电桩等汽车相关应用成为了碳化硅最大市场。自2022年起，美系厂商Wolfspeed、安森美，日本厂商富士电机、东芝、住友、罗姆，欧洲厂商英飞凌、博世、意法半导体等厂商都宣布了大规模碳化硅扩产计划。

同样的，禁带更宽的氮化镓也能实现优化能效，以及让整个功率器件体积、重量都减小的目标。

这就是为什么现在执着将氮化镓送上车的厂家，会和上述碳化硅厂商会有高度重合。据悉，马自达与罗姆将在2025年度内将氮化镓逆变器落地，并通过样车进行试验，力争在2027年度投入实际应用。

值得一提的是，现在第四代半导体材料也被提前押注了。业界一般把带隙超过3.4eV的半导体材料称为“超宽禁带半导体”，例如氧化镓为4.8eV，金刚石为5.47eV，这意味着它的“天赋”胜于氮化镓、更胜于碳化硅，再加上优异的高温稳定性和成本优势，怪不得比亚迪会暗自布局。

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本文转载自“壹零社”，原标题《车企“变心”，半导体材料争宠》。

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