在包括5G、智能汽車等對(duì)高頻、高功率應(yīng)用特性要求不斷加強(qiáng)的背景下，第三代半導(dǎo)體正迎來(lái)高速發(fā)展期。目前來(lái)看，全球范圍內(nèi)在第三代半導(dǎo)體的主要三大龍頭為Wolfspeed、意法半導(dǎo)體和英飛凌，前者主要起步于碳化硅(SiC)襯底環(huán)節(jié)，后兩者則主要起步于功率器件，隨著各自對(duì)于產(chǎn)業(yè)鏈能力的進(jìn)一步拓寬，這三家頭部廠商也正走在加速對(duì)產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)垂直整合的過(guò)程中。近日，意法半導(dǎo)體汽車和分立器件產(chǎn)品部(ADG)，功率晶體管事業(yè)部市場(chǎng)溝通經(jīng)理Gianfranco DI MARCO接受21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道記者專訪時(shí)表示，意法半導(dǎo)體已經(jīng)可以通過(guò)現(xiàn)有6英寸設(shè)備處理8英寸碳化硅晶圓，因此大幅壓縮了生產(chǎn)線升級(jí)所需的設(shè)備投資成本。

同時(shí)公司把碳化硅視為一個(gè)營(yíng)收增長(zhǎng)點(diǎn)：目標(biāo)是在2024年的碳化硅產(chǎn)品銷售額達(dá)到10億美元。而公司此前披露的2021年度數(shù)據(jù)顯示，全年實(shí)現(xiàn)凈營(yíng)收127.6億美元?？紤]到其首款1200V SiC MOSFET產(chǎn)品上市時(shí)間并不算長(zhǎng)，可見公司對(duì)在此領(lǐng)域發(fā)展的期待。

當(dāng)然，在全球供應(yīng)鏈局面依然不甚穩(wěn)定的當(dāng)下，意法半導(dǎo)體也在加強(qiáng)對(duì)于整體產(chǎn)能的投入力度。“我想強(qiáng)調(diào)一下，在2021年財(cái)報(bào)中，公司總裁兼首席執(zhí)行官Jean-Marc Chery表示，意法半導(dǎo)體計(jì)劃‘2022年資本支出約34-36億美元，以進(jìn)一步提高產(chǎn)能，并支持我們的戰(zhàn)略計(jì)劃，其中包括在意大利Agrate 300毫米(12英寸)晶圓新廠的第一條生產(chǎn)線?！@大約是我們2021年18.3億美元支出的兩倍?！彼绱嗽?。

無(wú)論國(guó)內(nèi)國(guó)外，對(duì)第三代半導(dǎo)體市場(chǎng)的產(chǎn)能和技術(shù)加速正成為共同的趨勢(shì)，從意法半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)也是如此。Gianfranco向記者介紹，多年來(lái)，意法半導(dǎo)體一直有一個(gè)稱雄碳化硅和氮化鎵(GaN)寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體市場(chǎng)的宏偉目標(biāo)。

具體來(lái)說(shuō)，在碳化硅方面，“按照繼續(xù)發(fā)展計(jì)劃，我們正在增加意大利卡塔尼亞的6 英寸晶圓廠產(chǎn)能，并在新加坡開始生產(chǎn)6英寸晶圓，以滿足汽車和工業(yè)領(lǐng)域客戶日益增長(zhǎng)的需求。”他進(jìn)一步介紹，公司同時(shí)在執(zhí)行行業(yè)垂直整合計(jì)劃，2019年收購(gòu)了碳化硅襯底廠商 Norstel公司，其已100%合并到意法半導(dǎo)體，更名為“ST SiC AB”?！霸搱F(tuán)隊(duì)專門生產(chǎn)碳化硅襯底，并將加快我們向8英寸晶圓生產(chǎn)的升級(jí)改造。我們目前已經(jīng)宣布8英寸原型片開發(fā)調(diào)試成功?！?

隨著寬禁帶半導(dǎo)體器件的功率日益增大，器件散熱問(wèn)題逐漸成為工業(yè)界的巨大挑戰(zhàn)。器件溝道處的結(jié)溫以及晶圓材料的熱物性是反映器件散熱能力最直接的參數(shù)，結(jié)溫和熱物性的測(cè)試成為器件研發(fā)中不可缺少的環(huán)節(jié)，決定了器件運(yùn)行能力、可靠性及壽命。

由于器件溝道尺寸小(亞微米級(jí))且常常在高頻工況下(GHz級(jí))運(yùn)行，要求結(jié)溫測(cè)試滿足高空間分辨率和高時(shí)間分辨率。另一方面，晶圓材料通常是薄膜異質(zhì)結(jié)，要求熱物性測(cè)試具有微納米級(jí)分辨率。然而，傳統(tǒng)的溫度和熱物性的表征方法很難滿足高空間分辨率和高時(shí)間分辨率的要求。近年來(lái)，一些國(guó)內(nèi)外頂尖研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種稱為熱反射(Thermoreflectance)的測(cè)試方法，該方法基本滿足了上述測(cè)試需求，為寬禁帶器件散熱提供了有效解決方案。

從當(dāng)前的能源使用占比、發(fā)電量和用電量結(jié)構(gòu)來(lái)看，提高光伏風(fēng)電發(fā)電量占比、普及交通電氣化，以及提升工業(yè)用電效率是實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和的重要途徑。

首先，光伏將逐步從輔助能源成為主力能源。2020年底，我國(guó)光伏裝機(jī)容量為253GW，占全國(guó)總發(fā)電量的3.4%;到2030年全球光伏新增裝機(jī)將超2000GW，我國(guó)將占一半;到2060年達(dá)到碳中和時(shí)，我國(guó)光伏裝機(jī)將達(dá)到2020年的70多倍，在全國(guó)總發(fā)電量中的占比將達(dá)到43.2%，成為主要的能源形式。

其次，交通電氣化全面提速和加速滲透。交通行業(yè)碳減排依賴于電動(dòng)車滲透率的全面提升，電動(dòng)化的長(zhǎng)期趨勢(shì)是明確的。我國(guó)提出2025年新能源車占比目標(biāo)20%，預(yù)計(jì)到2025年新能源車銷量將超700萬(wàn)輛。此外，與新能源車增長(zhǎng)同步的還有充電樁的部署。

第三，工業(yè)類電源效率需要不斷提升。工業(yè)用電量占比是最大的，其中主要包括工廠設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)、高頻加熱、數(shù)據(jù)中心和5G通訊等。這類設(shè)備中能源轉(zhuǎn)換和供電效率的全面提升也是減排的重要組成部分。

無(wú)論儲(chǔ)能、供電，還是充電應(yīng)用，都要求高壓、高效和高可靠性的功率變換。而以氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)為代表的第三代半導(dǎo)體材料和器件是實(shí)現(xiàn)效率提升的關(guān)鍵，因?yàn)榛诘壔蛱蓟璧钠骷驮O(shè)備可以滿足高壓、高效和高可靠性功率轉(zhuǎn)換的要求。

提高能源利用效率的技術(shù)創(chuàng)新

新技術(shù)能夠更有效、更快速地減少二氧化碳排放。據(jù)統(tǒng)計(jì)，借助第三代半導(dǎo)體新技術(shù)，每生產(chǎn)10萬(wàn)片SiC晶圓可較常規(guī)的生產(chǎn)方式減少4,000噸的碳排放。與目前的硅基IGBT相比，第三代半導(dǎo)體新技術(shù)的環(huán)保性能顯然更高。

要提升能源利用效率，首先要降低功率變換過(guò)程自身的損耗，這主要體現(xiàn)在開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。對(duì)于同一類技術(shù)，如平面型或溝槽型工藝，單位面積導(dǎo)通電阻(Rsp)越小，其相對(duì)開關(guān)損耗也越小。因此，導(dǎo)通電阻(Rsp)成了第三代半導(dǎo)體廠商技術(shù)開發(fā)的競(jìng)賽制高點(diǎn)。

4月20-21日，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)、半導(dǎo)體照明網(wǎng)、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)合勵(lì)展博覽集團(tuán)，將在 NEPCON China 2022期間舉辦為期兩天的“2022第三代半導(dǎo)體器件與封裝技術(shù)產(chǎn)業(yè)高峰論壇”。

武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院袁超研究員將受邀出席論壇，并分享“面向?qū)捊麕?a href="/tags/半導(dǎo)體" target="_blank">半導(dǎo)體器件的高空間/時(shí)間分辨率晶圓級(jí)熱表征技術(shù)進(jìn)展”的主題報(bào)告。

報(bào)告將綜述國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)以及在熱反射檢測(cè)領(lǐng)域的研發(fā)成果，介紹該方法的原理、發(fā)展歷程以及針對(duì)不同類型的器件或晶圓材料應(yīng)用。同時(shí)，結(jié)合其近年的研究，討論如何實(shí)現(xiàn)熱反射方法的無(wú)損測(cè)試，滿足寬禁帶工業(yè)產(chǎn)線上的測(cè)試需求，為器件研發(fā)和生產(chǎn)提高效率并降低成本等。