距離特斯拉把碳化硅炒火又拋棄還沒過去多久，氮化鎵、氧化鎵又成了潛力選手。

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何謂三代半導體材料？

前段時間馬自達與日本半導體企業羅姆宣布聯合開發采用下一代半導體技術——氮化鎵（GaN）功率半導體的汽車零部件。很多人聽說“氮化鎵”可能是在中美貿易戰的半導體原材料管制加碼中，也可能是在消費電子新品宣傳中，但是在汽車上恐怕還是少見。

半導體材料發展至今已經商用了三代材料技術，第一代就是硅、鍺；第二代就是砷化鎵、磷化銦，主要用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料；第三代材料就是碳化硅、氮化鎵、氧化鋅等寬禁帶半導體材料。

半導體材料商用已經歷三代變化

半導體之所以能在絕緣體和導體之間切換，是因為被原子核束縛的電子接受一定能量之后，可以從價電帶遷移到導電帶成為自由電子，從而導電。

禁帶寬度（帶隙）指的就是能使價電子脫離束縛的最小能量，因此禁帶寬度越窄，半導體越容易在溫度升高、受到輻射等情況下，成為導體。相反，禁帶寬度越寬，半導體則需要更多的能量輸入才能導電。

傳統的半導體材料在室溫中的禁帶寬度一般小于3eV（電子伏特），例如鍺為0.66eV，硅為1.12eV；新型寬禁帶材料的帶隙超過3eV，上述碳化硅為3.26eV、氮化鎵為3.4eV。

和傳統半導體材料相比，更寬的帶隙允許材料在更高的溫度、更強的電壓、輻射條件下與更快的開關頻率下運行；此外，由于寬禁帶半導體材料還具備導通電阻更小的特點，功率損耗會更低。因此半導體行業曾預計，寬禁帶半導體材料在大功率、高頻電子元器件等領域會有廣泛應用。

而上世紀九十年代開始起步的氮化鎵，用來做高性能射頻芯片，性能是目前最好的。

中國電信重慶分公司一位技術人員告訴記者，目前大部分4G、5G消費級別的手機，它們的射頻芯片一直用的是砷化鎵，如果要用其他的化合物半導體或者硅基材料來做射頻芯片，雖然也能勉強做出來，但是采用的工藝不同，芯片性能會差很遠，“且替代周期往往需要好幾年時間，勢必付出高昂成本”。這就是金屬鎵的重要性所在。

那么在汽車上它又有什么不可替代的作用？

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尋找材料的“天賦”上限

其實氮化鎵就是要替代現有新能源車上、已成熟的碳化硅。

2018年，特斯拉的“銷量神器”Model 3發布高續航版，將電驅系統逆變器等器件上的硅基IGBT功率模塊，用意法半導體所生產的650V（伏特）碳化硅MOSFET模塊所替代——這就是彼時業界要尋找的“降本不降質”秘方。

碳化硅MOSFET模塊

電動車中，動力電池是直流電，而電機工作需要交流電。逆電器的工作就是要把直流電轉換為交流電再輸出給電機，成為汽車行駛的動力，其中的轉換效率就是決定電動車續航里程的關鍵。

其次還有車載充電機（On-Board Charger，OBC）和直流-直流轉換器（DC/DC）這類“小三電”，它們同樣可以應用碳化硅制作的晶體管。

OBC負責把外部的交流電源轉換為直流電，為動力電池充電；DC/DC則負責將動力電池的幾百伏特的高壓直流電轉換為汽車各個用電設備所需的低壓直流電。

每一個都涉及能量之間的轉換，怎么能“吃得多、消化好、少浪費”呢？為了提高轉換效率，特斯拉一手將碳化硅捧上“神壇”：碳化硅功率器件憑借自身特性，只需要做到傳統硅基器件體積的十分之一，就能實現同樣的功率轉化。

隨后，“800V快充平臺”成為中高端電動車趨勢，保時捷、蔚來、小鵬等部分車型均采用了碳化硅器件，新能源車、充電樁等汽車相關應用成為了碳化硅最大市場。自2022年起，美系廠商Wolfspeed、安森美，日本廠商富士電機、東芝、住友、羅姆，歐洲廠商英飛凌、博世、意法半導體等廠商都宣布了大規模碳化硅擴產計劃。

同樣的，禁帶更寬的氮化鎵也能實現優化能效，以及讓整個功率器件體積、重量都減小的目標。

這就是為什么現在執著將氮化鎵送上車的廠家，會和上述碳化硅廠商會有高度重合。據悉，馬自達與羅姆將在2025年度內將氮化鎵逆變器落地，并通過樣車進行試驗，力爭在2027年度投入實際應用。

第四代半導體材料“氧化鎵”也被車企關注

值得一提的是，現在第四代半導體材料也被提前押注了。業界一般把帶隙超過3.4eV的半導體材料稱為“超寬禁帶半導體”，例如氧化鎵為4.8eV，金剛石為5.47eV，這意味著它的“天賦”勝于氮化鎵、更勝于碳化硅，再加上優異的高溫穩定性和成本優勢，怪不得比亞迪會暗自布局。

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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