提高能源利用效率的技术创新，怎么看第三代半导体商用进度？

在包括5G、智能汽车等对高频、高功率应用特性要求不断加强的背景下，第三代半导体正迎来高速发展期。目前来看，全球范围内在第三代半导体的主要三大龙头为Wolfspeed、意法半导体和英飞凌，前者主要起步于碳化硅(SiC)衬底环节，后两者则主要起步于功率器件，随着各自对于产业链能力的进一步拓宽，这三家头部厂商也正走在加速对产业环节垂直整合的过程中。近日，意法半导体汽车和分立器件产品部(ADG)，功率晶体管事业部市场沟通经理Gianfranco DI MARCO接受21世纪经济报道记者专访时表示，意法半导体已经可以通过现有6英寸设备处理8英寸碳化硅晶圆，因此大幅压缩了生产线升级所需的设备投资成本。

同时公司把碳化硅视为一个营收增长点：目标是在2024年的碳化硅产品销售额达到10亿美元。而公司此前披露的2021年度数据显示，全年实现净营收127.6亿美元。考虑到其首款1200V SiC MOSFET产品上市时间并不算长，可见公司对在此领域发展的期待。

当然，在全球供应链局面依然不甚稳定的当下，意法半导体也在加强对于整体产能的投入力度。“我想强调一下，在2021年财报中，公司总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery表示，意法半导体计划‘2022年资本支出约34-36亿美元，以进一步提高产能，并支持我们的战略计划，其中包括在意大利Agrate 300毫米(12英寸)晶圆新厂的第一条生产线。’这大约是我们2021年18.3亿美元支出的两倍。”他如此援引道。

无论国内国外，对第三代半导体市场的产能和技术加速正成为共同的趋势，从意法半导体来说也是如此。Gianfranco向记者介绍，多年来，意法半导体一直有一个称雄碳化硅和氮化镓(GaN)宽禁带(WBG)半导体市场的宏伟目标。

具体来说，在碳化硅方面，“按照继续发展计划，我们正在增加意大利卡塔尼亚的6 英寸晶圆厂产能，并在新加坡开始生产6英寸晶圆，以满足汽车和工业领域客户日益增长的需求。”他进一步介绍，公司同时在执行行业垂直整合计划，2019年收购了碳化硅衬底厂商 Norstel公司，其已100%合并到意法半导体，更名为“ST SiC AB”。“该团队专门生产碳化硅衬底，并将加快我们向8英寸晶圆生产的升级改造。我们目前已经宣布8英寸原型片开发调试成功。”

随着宽禁带半导体器件的功率日益增大，器件散热问题逐渐成为工业界的巨大挑战。器件沟道处的结温以及晶圆材料的热物性是反映器件散热能力最直接的参数，结温和热物性的测试成为器件研发中不可缺少的环节，决定了器件运行能力、可靠性及寿命。

由于器件沟道尺寸小(亚微米级)且常常在高频工况下(GHz级)运行，要求结温测试满足高空间分辨率和高时间分辨率。另一方面，晶圆材料通常是薄膜异质结，要求热物性测试具有微纳米级分辨率。然而，传统的温度和热物性的表征方法很难满足高空间分辨率和高时间分辨率的要求。近年来，一些国内外顶尖研发团队开发了一种称为热反射(Thermoreflectance)的测试方法，该方法基本满足了上述测试需求，为宽禁带器件散热提供了有效解决方案。

从当前的能源使用占比、发电量和用电量结构来看，提高光伏风电发电量占比、普及交通电气化，以及提升工业用电效率是实现2030年碳达峰和2060年碳中和的重要途径。

首先，光伏将逐步从辅助能源成为主力能源。2020年底，我国光伏装机容量为253GW，占全国总发电量的3.4%;到2030年全球光伏新增装机将超2000GW，我国将占一半;到2060年达到碳中和时，我国光伏装机将达到2020年的70多倍，在全国总发电量中的占比将达到43.2%，成为主要的能源形式。

其次，交通电气化全面提速和加速渗透。交通行业碳减排依赖于电动车渗透率的全面提升，电动化的长期趋势是明确的。我国提出2025年新能源车占比目标20%，预计到2025年新能源车销量将超700万辆。此外，与新能源车增长同步的还有充电桩的部署。

第三，工业类电源效率需要不断提升。工业用电量占比是最大的，其中主要包括工厂设备电机驱动、高频加热、数据中心和5G通讯等。这类设备中能源转换和供电效率的全面提升也是减排的重要组成部分。

无论储能、供电，还是充电应用，都要求高压、高效和高可靠性的功率变换。而以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体材料和器件是实现效率提升的关键，因为基于氮化镓或碳化硅的器件和设备可以满足高压、高效和高可靠性功率转换的要求。

提高能源利用效率的技术创新

新技术能够更有效、更快速地减少二氧化碳排放。据统计，借助第三代半导体新技术，每生产10万片SiC晶圆可较常规的生产方式减少4,000吨的碳排放。与目前的硅基IGBT相比，第三代半导体新技术的环保性能显然更高。

要提升能源利用效率，首先要降低功率变换过程自身的损耗，这主要体现在开关损耗和导通损耗。对于同一类技术，如平面型或沟槽型工艺，单位面积导通电阻(Rsp)越小，其相对开关损耗也越小。因此，导通电阻(Rsp)成了第三代半导体厂商技术开发的竞赛制高点。

4月20-21日，半导体产业网、半导体照明网、第三代半导体产业联合励展博览集团，将在 NEPCON China 2022期间举办为期两天的“2022第三代半导体器件与封装技术产业高峰论坛”。

武汉大学工业科学研究院袁超研究员将受邀出席论坛，并分享“面向宽禁带半导体器件的高空间/时间分辨率晶圆级热表征技术进展”的主题报告。

报告将综述国内外团队以及在热反射检测领域的研发成果，介绍该方法的原理、发展历程以及针对不同类型的器件或晶圆材料应用。同时，结合其近年的研究，讨论如何实现热反射方法的无损测试，满足宽禁带工业产线上的测试需求，为器件研发和生产提高效率并降低成本等。