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數(shù)十年來，豐富且易于加工的硅一直是半導體行業(yè)的首選材料，但電動汽車的興起，正在幫助削弱其在能源效率方面的主導地位。特斯拉一直是這一變化的催化劑。

這家美國汽車制造商成為第一家在批量生產(chǎn)的汽車中使用碳化硅芯片的同行，并將其納入其部分 Model 3。此舉為節(jié)能材料在電動汽車供應鏈中提供了動力，并對芯片行業(yè)產(chǎn)生了影響。

日本芯片制造商羅姆首席戰(zhàn)略官 Kazuhide Ino 表示：“到目前為止，芯片制造商一直在共同努力建立碳化硅市場，但我們已經(jīng)到了相互競爭的階段。”

碳化硅，簡稱SiC，含有硅和碳。它的化學鍵比硅中的強，是世界上第三硬的物質(zhì)。加工它需要先進的技術(shù)，但與標準硅片相比，這種材料的穩(wěn)定性和其他特性讓芯片制造商將能量損失減少了一半以上。

碳化硅芯片也能很好地散熱，允許使用更小的逆變器——這是調(diào)節(jié)電機功率流動的關(guān)鍵電動汽車組件。

“Model 3 的空氣阻力系數(shù)與跑車一樣低，”日本名古屋大學教授山本正史說。“按比例縮小逆變器使其流線型設(shè)計成為可能。”

拆解過程中可以看到包含碳化硅芯片的特斯拉 Model 3 逆變器。（照片提供：名古屋大學教授山本正義）

特斯拉的舉動震動了芯片行業(yè)。6 月，德國芯片制造商英飛凌科技推出了一款用于電動汽車逆變器的 SiC 模塊。

英飛凌日本部門的一位經(jīng)理表示：“SiC 擴張的時間顯然比我們預期的更近了。”

現(xiàn)代汽車將在其下一代電動汽車中使用英飛凌制造的 SiC 芯片。據(jù)稱，與硅相比，這些芯片可使汽車續(xù)航里程增加 5% 以上。

法國汽車制造商雷諾于 6 月與總部位于瑞士的意法半導體簽署了一項協(xié)議，將從 2026 年開始供應 SiC 芯片。該協(xié)議還涵蓋用氮化鎵制成的芯片，氮化鎵是另一種半導體晶片的替代材料。

法國市場研究公司 Yole Developpement 預測，到 2026 年，碳化硅功率芯片市場將比 2020 年增長 6 倍，達到 44.8 億美元。

硅和更昂貴的碳化硅之間的價格差距正在縮小。山本說，大規(guī)模生產(chǎn)和其他因素使成本差異從五年前的大約十倍縮小到大約兩倍。隨著一些芯片行業(yè)供應商開始生產(chǎn)更大的 SiC 晶圓，這一差距可能會進一步縮小。

羅姆在該領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，2010 年，他們量產(chǎn)了世界上第一個 SiC 晶體管。2009 年，羅姆收購了德國公司 SiCrystal ，增加了生產(chǎn) SiC晶圓的能力，這也使羅姆具備了從頭到尾生產(chǎn)碳化硅的能力。這家日本公司的目標是到 2025 財年在 SiC 芯片的全球市場份額達到 30%。它最近在日本福岡縣的一家工廠開設(shè)了一個額外的生產(chǎn)設(shè)施，這是將產(chǎn)能增加五倍以上的計劃的一部分。

羅姆表示，許多即將推出的電動汽車型號將使用其 SiC 芯片。它還與中國電動汽車制造商吉利就下一代芯片技術(shù)達成協(xié)議。

硅并不是第一種芯片材料。1947 年美國貝爾實驗室開創(chuàng)性地發(fā)明晶體管后，使用了鍺晶體。1960 年代，隨著半導體行業(yè)的興起，硅取代了這種元素。世界上最大的兩家硅片供應商——信越化學和 Sumco——都設(shè)在日本。

SiC 也有競爭對手作為硅的替代品。

氮化鎵 (GaN) 有可能將能量損失減少到硅芯片的十分之一左右。在半導體中使用這種材料是在日本開發(fā)的，以制造藍色發(fā)光二極管。雖然 GaN 芯片用于充電設(shè)備等某些領(lǐng)域，但該材料尚未充分發(fā)揮其潛力，因為它主要與其他材料（包括硅）結(jié)合使用。

尋找硅的替代品反映了芯片性能改進的日益明顯的限制。更小、更強大的電子設(shè)備的開發(fā)需要蝕刻更細微的電路圖案�，F(xiàn)在這個尺度為 5 納米（1 納米等于十億分之一米），晶體管密度大約每兩年翻一番的預測——被稱為摩爾定律——正在接受前所未有的考驗。

節(jié)能也推動了芯片材料的創(chuàng)新。電動汽車、數(shù)據(jù)中心和其他數(shù)字經(jīng)濟組成部分的擴張將產(chǎn)生巨大的電力需求未得到滿足，而無需采取措施提高能源效率。

美國初創(chuàng)公司 Lab 91 是德克薩斯大學奧斯汀分校的衍生公司，正在開發(fā)在芯片晶圓上覆蓋石墨烯（只有一個原子厚的碳片）的技術(shù)。早期試驗已經(jīng)成功，該公司正在與芯片制造商就評估大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)進行談判。石墨烯具有在廣泛的應用中提高芯片性能的潛力，從電動汽車到 LED，再到智能手機相機中使用的圖像傳感器。

鉆石——被一些終極半導體稱為——是一種潛在的改變游戲規(guī)則但成本高昂的硅替代品。

總部位于東京的制造商 Adamant Namiki Precision Jewel 已開發(fā)出用金剛石生產(chǎn)功率芯片的技術(shù)。從理論上看，世界上最硬的物質(zhì)具有將能量損失減少到硅的五萬分之一。但使此類芯片具有成本效益將是關(guān)鍵�，F(xiàn)在金剛石基板的成本是硅晶圓的數(shù)千倍。

由于半導體對國家安全和經(jīng)濟競爭力至關(guān)重要，中國、美國和歐洲的政府正在尋求支持新芯片材料的研發(fā)。支持該領(lǐng)域的研發(fā)和投資是日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省 6 月發(fā)布的半導體戰(zhàn)略的一部分。由于硅與鋼并列成為構(gòu)建 20 世紀的材料之一，下一種偉大的半導體材料看起來很可能在未來幾十年成為國際競爭的驅(qū)動力。

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