在包括5G、智能汽車等對高頻、高功率應用特性要求不斷加強的背景下，第三代半導體正迎來高速發(fā)展期。目前來看，全球范圍內(nèi)在第三代半導體的主要三大龍頭為Wolfspeed、意法半導體和英飛凌，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，隨著各自對于產(chǎn)業(yè)鏈能力的進一步拓寬，這三家頭部廠商也正走在加速對產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)垂直整合的過程中。近日，意法半導體汽車和分立器件產(chǎn)品部(ADG)，功率晶體管事業(yè)部市場溝通經(jīng)理Gianfranco DI MARCO接受21世紀經(jīng)濟報道記者專訪時表示，意法半導體已經(jīng)可以通過現(xiàn)有6英寸設備處理8英寸碳化硅晶圓，因此大幅壓縮了生產(chǎn)線升級所需的設備投資成本。
同時公司把碳化硅視為一個營收增長點：目標是在2024年的碳化硅產(chǎn)品銷售額達到10億美元。而公司此前披露的2021年度數(shù)據(jù)顯示，全年實現(xiàn)凈營收127.6億美元?？紤]到其首款1200V SiC MOSFET產(chǎn)品上市時間并不算長，可見公司對在此領域發(fā)展的期待。
當然，在全球供應鏈局面依然不甚穩(wěn)定的當下，意法半導體也在加強對于整體產(chǎn)能的投入力度?！拔蚁霃娬{(diào)一下，在2021年財報中，公司總裁兼首席執(zhí)行官Jean-Marc Chery表示，意法半導體計劃‘2022年資本支出約34-36億美元，以進一步提高產(chǎn)能，并支持我們的戰(zhàn)略計劃，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。”他如此援引道。
無論國內(nèi)國外，對第三代半導體市場的產(chǎn)能和技術加速正成為共同的趨勢，從意法半導體來說也是如此。Gianfranco向記者介紹，多年來，意法半導體一直有一個稱雄碳化硅和氮化鎵(GaN)寬禁帶(WBG)半導體市場的宏偉目標。
具體來說，在碳化硅方面，“按照繼續(xù)發(fā)展計劃，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)領域客戶日益增長的需求?！彼M一步介紹，公司同時在執(zhí)行行業(yè)垂直整合計劃，2019年收購了碳化硅襯底廠商 Norstel公司，其已100%合并到意法半導體，更名為“ST SiC AB”?！霸搱F隊專門生產(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?！?
隨著寬禁帶半導體器件的功率日益增大，器件散熱問題逐漸成為工業(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)溫和熱物性的測試成為器件研發(fā)中不可缺少的環(huán)節(jié)，決定了器件運行能力、可靠性及壽命。
由于器件溝道尺寸小(亞微米級)且常常在高頻工況下(GHz級)運行，要求結(jié)溫測試滿足高空間分辨率和高時間分辨率。另一方面，晶圓材料通常是薄膜異質(zhì)結(jié)，要求熱物性測試具有微納米級分辨率。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間分辨率的要求。近年來，一些國內(nèi)外頂尖研發(fā)團隊開發(fā)了一種稱為熱反射(Thermoreflectance)的測試方法，該方法基本滿足了上述測試需求，為寬禁帶器件散熱提供了有效解決方案。
從當前的能源使用占比、發(fā)電量和用電量結(jié)構來看，提高光伏風電發(fā)電量占比、普及交通電氣化，以及提升工業(yè)用電效率是實現(xiàn)2030年碳達峰和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，我國光伏裝機容量為253GW，占全國總發(fā)電量的3.4%;到2030年全球光伏新增裝機將超2000GW，我國將占一半;到2060年達到碳中和時，我國光伏裝機將達到2020年的70多倍，在全國總發(fā)電量中的占比將達到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)碳減排依賴于電動車滲透率的全面提升，電動化的長期趨勢是明確的。我國提出2025年新能源車占比目標20%，預計到2025年新能源車銷量將超700萬輛。此外，與新能源車增長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備電機驅(qū)動、高頻加熱、數(shù)據(jù)中心和5G通訊等。這類設備中能源轉(zhuǎn)換和供電效率的全面提升也是減排的重要組成部分。
無論儲能、供電，還是充電應用，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體材料和器件是實現(xiàn)效率提升的關鍵，因為基于氮化鎵或碳化硅的器件和設備可以滿足高壓、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創(chuàng)新
新技術能夠更有效、更快速地減少二氧化碳排放。據(jù)統(tǒng)計，借助第三代半導體新技術，每生產(chǎn)10萬片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，第三代半導體新技術的環(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程自身的損耗，這主要體現(xiàn)在開關損耗和導通損耗。對于同一類技術，如平面型或溝槽型工藝，單位面積導通電阻(Rsp)越小，其相對開關損耗也越小。因此，導通電阻(Rsp)成了第三代半導體廠商技術開發(fā)的競賽制高點。
4月20-21日，半導體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)、半導體照明網(wǎng)、第三代半導體產(chǎn)業(yè)聯(lián)合勵展博覽集團，將在 NEPCON China 2022期間舉辦為期兩天的“2022第三代半導體器件與封裝技術產(chǎn)業(yè)高峰論壇”。
武漢大學工業(yè)科學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/半導體" target="_blank">半導體器件的高空間/時間分辨率晶圓級熱表征技術進展”的主題報告。
報告將綜述國內(nèi)外團隊以及在熱反射檢測領域的研發(fā)成果，介紹該方法的原理、發(fā)展歷程以及針對不同類型的器件或晶圓材料應用。同時，結(jié)合其近年的研究，討論如何實現(xiàn)熱反射方法的無損測試，滿足寬禁帶工業(yè)產(chǎn)線上的測試需求，為器件研發(fā)和生產(chǎn)提高效率并降低成本等。
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