SiC มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมในฐานะวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับชิ้นส่วนกำลังที่ใช้ในการแปลงและควบคุมพลังงานเมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ซิลิคอนแบบดั้งเดิม SiC สามารถลดความต้านทานขณะเปิดวงจรได้ มีความเร็วในการสวิตช์สูง และสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิและแรงดันสูง จึงเป็นที่นิยมอย่างมากในแหล่งจ่ายไฟ รถยนต์ รถไฟ อุปกรณ์อุตสาหกรรม และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับใช้ในครัวเรือน แม้ว่าในที่สุดจะสามารถผลิต SiC ได้ด้วยการสังเคราะห์ แต่การผลิตชิ้นส่วนไฟฟ้า SiC ในปริมาณมากเคยสร้างปัญหาให้กับนักวิจัยอย่างมากเนื่องจากกระบวนการผลิตที่ยากมาก

※ ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) คืออะไร?

ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบผสมที่ประกอบด้วยธาตุคาร์บอนและซิลิคอนซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC), แกลเลียมไนไตรด์ (GaN), อะลูมิเนียมไนไตรด์ (ALN), แกลเลียมออกไซด์ (Ga2O3) เป็นต้น รวมเรียกว่าวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีแถบพลังงานกว้าง เนื่องจากความกว้างของแถบพลังงานมากกว่า 2.2 eV ในประเทศจีนเรียกวัสดุเหล่านี้ว่าวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม

ในด้านวัสดุ อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์แบ่งออกเป็น:

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ธาตุรุ่นแรก: เช่น ซิลิคอน (Si) และเจอร์มาเนียม (Ge);

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบผสมรุ่นที่สอง: เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs), อินเดียมฟอสไฟด์ (InP) เป็นต้น;

วัสดุที่มีช่องว่างแถบพลังงานกว้างรุ่นที่สาม ได้แก่ ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC), แกลเลียมไนไตรด์ (GaN), อะลูมิเนียมไนไตรด์ (ALN), แกลเลียมออกไซด์ (Ga2O3) เป็นต้น

ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ ซิลิคอนคาร์ไบด์และแกลเลียมไนไตรด์เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีแนวโน้มทางการค้าที่สดใสที่สุดในปัจจุบัน และอาจเรียกได้ว่าเป็น "เส้นทางทองคำ" รุ่นใหม่ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

การค้นพบซิลิคอนคาร์ไบด์ครั้งแรกในประวัติศาสตร์เกิดขึ้นในปี 1891 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันชื่อ เอเชสัน ค้นพบสารประกอบคาร์บอนชนิดนี้ขณะทำการแยกเพชรด้วยไฟฟ้า ซึ่งนับเป็นการสังเคราะห์และการค้นพบซิลิคอนคาร์ไบด์ครั้งแรก หลังจากค้นคว้ามานับร้อยปี โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงศตวรรษที่ 21 มนุษยชาติได้เข้าใจถึงข้อดีและคุณสมบัติของซิลิคอนคาร์ไบด์อย่างถ่องแท้ และได้นำคุณสมบัติของซิลิคอนคาร์ไบด์มาใช้ในการผลิตอุปกรณ์ใหม่ๆ หลากหลายชนิด ส่งผลให้อุตสาหกรรมซิลิคอนคาร์ไบด์พัฒนาอย่างรวดเร็ว

เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุซิลิคอนแบบดั้งเดิม ช่องว่างพลังงานของซิลิคอนคาร์ไบด์สูงกว่าซิลิคอนถึง 3 เท่า การนำความร้อนสูงกว่าซิลิคอน 4-5 เท่า แรงดันพังทลายสูงกว่าซิลิคอน 8 เท่า และอัตราการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิ่มตัวสูงกว่าซิลิคอน 2 เท่าคุณสมบัติต่างๆ ของซิลิคอนคาร์ไบด์ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตอุปกรณ์ความถี่สูงและกำลังสูงที่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูง แรงดันสูง และกระแสไฟฟ้าสูงได้

ปัจจุบัน มีโครงสร้างผลึกของซิลิคอนคาร์ไบด์ที่รู้จักกันประมาณ 200 รูปแบบ รวมถึงโครงสร้างผลึกแบบลูกบาศก์อัดแน่นสฟาเลอไรต์ α (2H, 4H, 6H, 15R) และโครงสร้างผลึกแบบหกเหลี่ยมอัดแน่นเวิร์ตไซต์ β (3C-SiC)

ในบรรดาโครงสร้างผลึกเหล่านั้น โครงสร้างผลึก β (3C-SiC) สามารถนำไปใช้ในการผลิตอุปกรณ์ความถี่สูงและพื้นผิวสำหรับวัสดุฟิล์มบางอื่นๆ เช่น การปลูกชั้นเอพิแทกเซียลของแกลเลียมไนไตรด์และการผลิตอุปกรณ์คลื่นความถี่ไมโครเวฟแกลเลียมไนไตรด์ที่ใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นฐาน โครงสร้างผลึก α 4H สามารถนำไปใช้ในการผลิตอุปกรณ์กำลังสูง และ 6H เป็นโครงสร้างที่เสถียรที่สุดและสามารถนำไปใช้ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกได้

※ ข้อดีด้านประสิทธิภาพของซิลิคอนคาร์ไบด์

หากเราพิจารณาเฉพาะชิปซิลิคอนคาร์ไบด์ ในแง่ของสารกึ่งตัวนำกำลัง ซิลิคอนคาร์ไบด์มีข้อได้เปรียบที่เหนือกว่าชิปกำลังที่ใช้ซิลิคอนแบบดั้งเดิมอย่างมาก กล่าวคือ ซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถทนกระแสและแรงดันได้มากกว่า มีความเร็วในการสวิตช์สูงกว่า มีการสูญเสียพลังงานน้อยกว่า และทนต่ออุณหภูมิสูงได้ดีกว่า ดังนั้น โมดูลกำลังที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์จึงสามารถลดส่วนประกอบของตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ ขดลวด และส่วนประกอบระบายความร้อนลงได้ ทำให้โมดูลอุปกรณ์กำลังโดยรวมมีน้ำหนักเบาขึ้น ประหยัดพลังงานมากขึ้น และมีกำลังเอาต์พุตที่สูงขึ้น นอกจากนี้ยังช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถืออีกด้วย ข้อดีนั้นชัดเจนมาก สรุปโดยละเอียดได้ดังนี้:

1. ค่าความต้านทานต่ำช่วยให้การออกแบบผลิตภัณฑ์มีขนาดเล็ลงและมีประสิทธิภาพสูงขึ้น

2. เหมาะสำหรับความถี่สูงและความเร็วในการสลับที่เร็วขึ้น

3. มีคุณสมบัติเด่นด้านอุณหภูมิสูง สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้น

※ ทำไมซิลิคอนคาร์ไบด์ถึงมีราคาแพง?

ทุกคนทราบดีว่าซิลิคอนคาร์ไบด์มีศักยภาพทางธุรกิจมหาศาลในอนาคต แต่ทุกคนที่เข้ามาในอุตสาหกรรมนี้จะต้องเผชิญกับปัญหาแรกและปัญหาที่สำคัญที่สุด นั่นคือ จะจัดการกับวัสดุนี้อย่างไร?

อย่างน้อยครึ่งหนึ่งของเหตุผลที่ทำให้สภาพแวดล้อมทางธุรกิจของอุตสาหกรรมที่ใช้ซิลิคอนแบบดั้งเดิมมีความเติบโตอย่างมากนั้น มาจากข้อเท็จจริงที่ว่าวัสดุซิลิคอนหาได้ค่อนข้างง่ายเทคโนโลยีการเตรียมวัสดุซิลิคอนที่พัฒนาเต็มที่และมีประสิทธิภาพทำให้วัสดุซิลิคอนมีราคาถูกมากในปัจจุบัน ปัจจุบันแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนขัดเงาขนาด 6 นิ้วมีราคาเพียง 150 หยวน ขนาด 8 นิ้วราคา 300 หยวน และขนาด 12 นิ้วราคาประมาณ 850 หยวน

อุตสาหกรรมจะสามารถขยายขนาดได้ก็ต่อเมื่อวัตถุดิบมีราคาถูกพอเท่านั้น!

ปัจจุบัน การใช้วิธีของ Czochralski สามารถปลูกผลึกซิลิคอนแท่งเดี่ยวที่มีความยาวประมาณ 2-3 เมตรได้ภายใน 72 ชั่วโมง และผลึกแท่งเดี่ยวหนึ่งแท่งสามารถตัดแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนได้หลายพันแผ่นในคราวเดียว

คุณรู้ไหมว่าผลึกเดี่ยวของซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถปลูกได้หนาแค่ไหนใน 72 ชั่วโมง? น้อยกว่าไม่กี่เซนติเมตร!!!

ปัจจุบัน วิธีการที่เร็วที่สุดในการปลูกผลึกเดี่ยวของซิลิคอนคาร์ไบด์มีอัตราการเติบโตประมาณ 0.1 มม./ชม. ถึง 0.2 มม./ชม. ดังนั้นความหนาของผลึกจึงอยู่ที่เพียง 7.2 มม. ถึง 14.4 มม. ในเวลา 72 ชั่วโมง

ดังนั้นคุณคงนึกออกว่าแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์แบบแผ่นเดียวที่ผลิตออกมานั้นมีราคาแพงแค่ไหน ปัจจุบันราคาแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ขนาด 4 นิ้วอยู่ที่ประมาณ 2,000-3,000 หยวน และแผ่นเวเฟอร์ขนาด 6 นิ้วมีราคาสูงถึง 6,000-8,000 หยวน ส่วนแผ่นเวเฟอร์แบบเอพิแท็กเซียลนั้นมีราคาสูงกว่า X2 อย่างน้อย และยังคงมีราคาสูงและสินค้าขาดตลาดอยู่

บริษัท Cree ของสหรัฐอเมริกา ซึ่งเป็นบริษัทผลิตซิลิคอนคาร์ไบด์ชั้นนำของโลก ครองส่วนแบ่งการผลิตมากกว่า 70% ของตลาดโลก ดังนั้น ผู้ผลิตปลายน้ำทั้งในและต่างประเทศจึงได้ลงนามในสัญญาซื้อขายระยะยาวกับ Cree เพื่อรักษากำลังการผลิตไว้

※ ตลาดซิลิคอนคาร์ไบด์

MOSFET และไดโอดซิลิคอนคาร์ไบด์ถูกนำไปใช้ในด้านพลังงานแสงอาทิตย์, UPS, อุตสาหกรรม, ยานยนต์ และการใช้งานอื่นๆ:โดยส่วนใหญ่แล้ว SiC จะถูกนำไปใช้ในอินเวอร์เตอร์สำหรับระบบกักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์, แหล่งจ่ายไฟ UPS สำหรับเซิร์ฟเวอร์ในศูนย์ข้อมูล, สถานีชาร์จสมาร์ทกริด และพื้นที่อื่นๆ ที่ต้องการประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูง อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาของรถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ไฮบริด (xEV) ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา SiC ก็ได้เข้ามามีบทบาทอย่างรวดเร็วในสาขาใหม่นี้เช่นกัน อุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ พลังงาน (พลังงานแสงอาทิตย์, การชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า, สมาร์ทกริด ฯลฯ), ยานยนต์ (OBC, อินเวอร์เตอร์), โครงสร้างพื้นฐาน (เซิร์ฟเวอร์) เป็นต้น

โดยสรุปแล้ว ในอนาคตอันใกล้ เราคาดการณ์ได้ว่าซิลิคอนคาร์ไบด์จะสร้างผลกระทบอย่างก้าวกระโดดต่ออุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์กำลัง!

ข้อสงวนสิทธิ์: บทความนี้พิมพ์ซ้ำจาก "Today's Semiconductor" ซึ่งสนับสนุนการคุ้มครองสิทธิ์ในทรัพย์สินทางปัญญา โปรดระบุแหล่งที่มาและผู้เขียนต้นฉบับ หากมีการละเมิดลิขสิทธิ์ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก

หมายเลขโทรศัพท์ของบริษัท: +86-0755-83044319
โทรสาร: +86-0755-83975897
อีเมล์: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 ผู้จัดการหลี่

QQ: 332496225 ผู้จัดการชิว

ที่อยู่: ห้อง 809 อาคาร C อาคารเทคโนโลยีจ้านเทา เลขที่ 1079 ถนนหมินจือ เขตหลงหัวใหม่ เมืองเซินเจิ้น