SiC به عنوان یک ماده نیمه هادی، به ویژه برای اجزای قدرت مورد استفاده در تبدیل و کنترل قدرت، خواص بسیار خوبی دارد.در مقایسه با قطعات سیلیکونی سنتی، این ماده می‌تواند به مقاومت روشن/خاموش کم، سوئیچینگ پرسرعت و عملکرد در دما و ولتاژ بالا دست یابد، بنابراین در منابع تغذیه، خودروها، راه‌آهن، تجهیزات صنعتی و تجهیزات الکترونیکی مصرفی خانگی بسیار محبوب است. اگرچه SiC سرانجام می‌تواند از طریق سنتز مصنوعی تولید شود، اما تولید انبوه قطعات قدرت SiC زمانی به دلیل پردازش بسیار دشوار، برای محققان دردسرساز بود.

※ کاربید سیلیکون (SiC) چیست؟

کاربید سیلیکون یک ماده نیمه هادی مرکب است که از عناصر کربن و سیلیکون تشکیل شده است.کاربید سیلیکون (SiC)، نیترید گالیوم (GaN)، نیترید آلومینیوم (ALN)، اکسید گالیوم (Ga2O3) و غیره در مجموع مواد نیمه‌هادی با شکاف باند وسیع نامیده می‌شوند زیرا پهنای شکاف باند آنها بیشتر از 2.2eV است. آنها همچنین در چین مواد نیمه‌هادی نسل سوم نامیده می‌شوند.

از نظر مواد، صنعت نیمه‌هادی به موارد زیر تقسیم می‌شود:

مواد نیمه‌هادی عنصری نسل اول: مانند سیلیکون (Si) و ژرمانیوم (Ge)؛

مواد نیمه‌هادی مرکب نسل دوم: مانند گالیوم آرسنید (GaAs)، ایندیوم فسفید (InP) و غیره؛

نسل سوم مواد با شکاف باند پهن: مانند کاربید سیلیکون (SiC)، نیترید گالیم (GaN)، نیترید آلومینیوم (ALN)، اکسید گالیم (Ga2O3) و غیره.

در میان آنها، کاربید سیلیکون و نیترید گالیم مواد نیمه‌هادی با درخشان‌ترین چشم‌اندازهای تجاری در حال حاضر هستند و می‌توان آنها را نسل جدید «مسیر طلایی» در صنعت نیمه‌هادی نامید.

اولین باری که کاربید سیلیکون در تاریخ کشف شد در سال ۱۸۹۱ بود. آچسون آمریکایی هنگام الکترولیز الماس، یک ترکیب کربنی را کشف کرد. این اولین سنتز و کشف کاربید سیلیکون بود. پس از صد سال کاوش، به ویژه پس از ورود به قرن بیست و یکم، بشر سرانجام مزایا و ویژگی‌های کاربید سیلیکون را روشن کرده و از ویژگی‌های کاربید سیلیکون برای ساخت وسایل جدید مختلف استفاده کرده است. صنعت کاربید سیلیکون به سرعت توسعه یافته است.

در مقایسه با مواد سیلیکونی سنتی، شکاف نواری کاربید سیلیکون ۳ برابر سیلیکون است؛ رسانایی حرارتی ۴-۵ برابر سیلیکون است؛ ولتاژ شکست ۸ برابر سیلیکون است؛ و نرخ رانش اشباع الکترون ۲ برابر سیلیکون است.ویژگی‌های مختلف به این معنی است که کاربید سیلیکون به ویژه برای ساخت دستگاه‌های با فرکانس بالا و توان بالا که می‌توانند در برابر دماهای بالا، ولتاژهای بالا و جریان‌های بالا مقاومت کنند، مناسب است.

در حال حاضر، حدود ۲۰۰ شکل ساختار کریستالی شناخته شده از کاربید سیلیکون وجود دارد، از جمله ساختار کریستالی اسفالریت α مکعبی فشرده (2H، 4H، 6H، 15R) و ساختار کریستالی ورتزیت β شش ضلعی فشرده (3C-SiC).

در میان آنها، ساختار کریستالی β (3C-SiC) می‌تواند برای ساخت دستگاه‌های فرکانس بالا و زیرلایه‌هایی برای سایر مواد لایه نازک، مانند رشد لایه‌های اپیتاکسیال نیترید گالیم و ساخت دستگاه‌های فرکانس رادیویی مایکروویو نیترید گالیم مبتنی بر کاربید سیلیکون، مورد استفاده قرار گیرد. شکل کریستالی α با فرمول 4H می‌تواند برای ساخت دستگاه‌های توان بالا استفاده شود؛ 6H پایدارترین شکل است و می‌تواند برای ساخت دستگاه‌های اپتوالکترونیکی مورد استفاده قرار گیرد.

※ مزایای عملکرد کاربید سیلیکون

اگر فقط تراشه‌های کاربید سیلیکون را در نظر بگیریم، از نظر نیمه‌هادی‌های قدرت، کاربید سیلیکون مزایای بی‌نظیری نسبت به تراشه‌های قدرت سنتی مبتنی بر سیلیکون دارد: کاربید سیلیکون می‌تواند جریان و ولتاژ بیشتری را تحمل کند، سرعت سوئیچینگ بالاتری داشته باشد، اتلاف انرژی کمتری داشته باشد و در برابر دماهای بالا مقاوم‌تر باشد. بنابراین، ماژول‌های قدرت ساخته شده از کاربید سیلیکون می‌توانند به طور مشابه اجزای خازن‌ها، سلف‌ها، کویل‌ها و اجزای اتلاف گرما را کاهش دهند و کل ماژول دستگاه قدرت را سبک‌تر، کم‌مصرف‌تر و با توان خروجی قوی‌تر کنند. همچنین قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهد. مزایا بسیار واضح است. خلاصه خاص به شرح زیر است:

1. امپدانس پایین‌تر، طراحی محصول با اندازه کوچکتر و راندمان بالاتر را به ارمغان می‌آورد.

2. مناسب برای فرکانس بالاتر و سرعت سوئیچینگ سریعتر؛

۳. ویژگی‌های عالی در دمای بالا، قادر به کار در دماهای بالاتر.

※ چرا کاربید سیلیکون اینقدر گران است؟

همه می‌دانند که کاربید سیلیکون چشم‌انداز تجاری عظیمی در آینده دارد، اما هر کسی که به این صنعت می‌پیوندد با اولین و کاربردی‌ترین مشکل روبرو خواهد شد، اینکه با این ماده چه کار کند؟

حداقل نیمی از دلیل محیط تجاری بسیار بالغ صنایع سنتی مبتنی بر سیلیکون این است که مواد سیلیکونی نسبتاً به راحتی قابل تهیه هستند.فناوری پیشرفته و کارآمد آماده‌سازی مواد سیلیکونی، مواد سیلیکونی را در حال حاضر بسیار ارزان می‌کند. در حال حاضر، یک ویفر سیلیکونی صیقل داده شده ۶ اینچی تنها ۱۵۰ یوان، یک ویفر ۸ اینچی ۳۰۰ یوان و یک ویفر ۱۲ اینچی حدود ۸۵۰ یوان قیمت دارد.

تنها زمانی که مواد اولیه به اندازه کافی ارزان باشند، می‌توان مقیاس صنعت را گسترش داد!

در حال حاضر، با استفاده از روش Czochralski، یک میله تک کریستال سیلیکونی با طول حدود ۲-۳ متر می‌تواند در ۷۲ ساعت رشد کند و یک میله تک کریستالی می‌تواند هزاران ویفر سیلیکونی را همزمان برش دهد.

آیا می‌دانید یک تک بلور کاربید سیلیکون در ۷۲ ساعت چقدر می‌تواند ضخیم شود؟ کمتر از چند سانتی‌متر! !

در حال حاضر، سریع‌ترین روش رشد تک بلورهای کاربید سیلیکون، نرخ رشدی در حدود 0.1 میلی‌متر بر ساعت تا 0.2 میلی‌متر بر ساعت دارد، بنابراین ضخامت بلور تنها 7.2 میلی‌متر تا 14.4 میلی‌متر در 72 ساعت است.

بنابراین می‌توانید تصور کنید که ویفرهای تکی کاربید سیلیکون تولید شده چقدر می‌توانند گران باشند. در حال حاضر، قیمت زیرلایه‌های کاربید سیلیکون ۴ اینچی حدود ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ یوان است و زیرلایه‌های ۶ اینچی به سطح ۶۰۰۰ تا ۸۰۰۰ یوان رسیده‌اند. ویفرهای اپیتکسیال حداقل از قیمت X2 بیشتر هستند و هنوز قیمت بالایی دارند و موجود نیستند.

شرکت آمریکایی کری، به عنوان پیشروترین شرکت کاربید سیلیکون در جهان، تقریباً بیش از ۷۰٪ ظرفیت تولید را در انحصار خود دارد. بنابراین، تولیدکنندگان پایین‌دستی داخلی و خارجی قراردادهای بلندمدتی با کری امضا کرده‌اند تا ظرفیت تولید خود را تثبیت کنند.

※ بازار کاربید سیلیکون

ماسفت‌های سیلیکون کاربید و دیودهای سیلیکون کاربید در کاربردهای خورشیدی، یو پی اس، صنعتی، خودرو و سایر موارد استفاده می‌شوند:عمدتاً در اینورترها در ذخیره‌سازی انرژی فتوولتائیک، منابع تغذیه UPS برای سرورهای مرکز داده، ایستگاه‌های شارژ شبکه هوشمند و سایر حوزه‌هایی که نیاز به راندمان تبدیل بالا دارند، متمرکز شده است. با این حال، با توسعه خودروهای برقی و هیبریدی (xEV) در سال‌های اخیر، SiC نیز به سرعت در این زمینه جدید ظهور کرده است. صنایع تابشی شامل انرژی (PV، شارژ EV، شبکه هوشمند و غیره)، خودروها (OBC، اینورتر)، زیرساخت‌ها (سرورها) و غیره است.

خلاصه اینکه، در آینده‌ای نزدیک، می‌توانیم پیش‌بینی کنیم که کاربید سیلیکون تأثیر انقلابی بر صنعت الکترونیک قدرت خواهد داشت!

سلب مسئولیت: این مقاله از "Today's Semiconductor" بازنشر شده است که از حمایت از حقوق مالکیت معنوی حمایت می‌کند. لطفاً منبع اصلی و نویسنده بازنشر را ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه نقض، لطفاً برای حذف آن با ما تماس بگیرید.

شماره تلفن شرکت: +86-0755-83044319
فکس/فکس: +86-0755-83975897
ایمیل: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 مدیر لی

QQ: 332496225 مدیر کیو

آدرس: اتاق ۸۰۹، ساختمان C، ساختمان فناوری ژانتائو، پلاک ۱۰۷۹ خیابان مینزی، منطقه جدید لونگهوا، شنژن