เมื่อไม่นานมานี้ เจดี เบลวินส์ จากห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพอากาศสหรัฐฯ (AFRL) ได้เผยแพร่รายงานฉบับหนึ่งซึ่งแนะนำกระบวนการพัฒนาอุตสาหกรรม SiC ของสหรัฐฯ

จากรายงานระบุว่า มหาวิทยาลัยแห่งรัฐนอร์ทแคโรไลนาได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับการเติบโตของ SiC โดยวิธีการระเหิดมาเป็นเวลานานแล้ว และมีสิทธิบัตรสำคัญหลายฉบับองค์กรวิจัยครี (Cree-Research) ก่อตั้งขึ้นอย่างเป็นทางการในปี 1987ในปี 1991 บริษัทนี้เป็นบริษัทแรกที่จัดจำหน่ายซิลิคอนคาร์ไบด์ในเชิงพาณิชย์

รูปที่ 1. แผ่นรองพื้น Cree 25 มม. 6H-SiC และแผ่นเวเฟอร์ 6H-SiC Lely

นอกเหนือจาก Cree-Research แล้ว ในช่วงต้นทศวรรษ 1990ศูนย์เทคโนโลยีเวสติงเฮาส์ และบริษัท แอดวานซ์ เทคโนโลยี แมทริกซ์ส์ อิงค์ (ATMI)นอกจากนี้พวกเขายังมีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในการวิจัยและพัฒนา SiC อีกด้วย

เป้าหมายการวิจัยในช่วงแรกเกี่ยวกับการเติบโตของ SiC โดยวิธีการระเหิดนั้นเต็มไปด้วยความสำเร็จและความล้มเหลวมีความท้าทายทางเทคนิคหลายประการที่ยากจะเอาชนะได้ รวมถึงการเกิดท่อขนาดเล็ก การเจือปน การควบคุมโพลีไทป์ การขยายเส้นผ่านศูนย์กลาง และข้อบกพร่องของผลึก

บริษัท Cree-Research เปิดตัว SiC 6H ขนาด 25 มม. ในปี 1991 และ SiC 4H ขนาด 50 มม. ในปี 1998 แม้ว่าจะมีผู้ผลิตหลายรายที่ผลิตผลิตภัณฑ์ที่คล้ายคลึงกันก็ตามราคาสูงมาก และความหนาแน่นของไมโครทิวบูลเกิน 100 ซม.-2 。

รูปที่ 2. ผู้ผลิตและข้อกำหนดของผลึกเดี่ยวซิลิคอนคาร์ไบด์แบบระเหิดในยุคแรก

เพื่อส่งเสริมการนำ SiC ไปใช้ในเชิงพาณิชย์อย่างกว้างขวางยิ่งขึ้น พระราชบัญญัติการผลิตเพื่อการป้องกันประเทศของสหรัฐอเมริกาปี 1999 จึงได้กำหนดไว้เช่นนั้น"แผนงานตามมาตรา III"เพื่อเป็นการสนับสนุนเงินทุนเริ่มต้นที่จำเป็นอย่างยิ่งสำหรับอุตสาหกรรม SiC กองทัพอากาศสหรัฐฯ ได้มอบ "สัญญาแบ่งปันต้นทุน" ให้แก่ 3 บริษัทรวมถึงบริษัท Cree-Research, Sterling (ATMI) และ Litton-Airtronเป้าหมายคือการขยายขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นรองพื้น SiC ให้เป็น 75 มม. และปรับปรุงคุณภาพของผลึกให้ดียิ่งขึ้น

เริ่มตั้งแต่ปี 2002 หน่วยงานวิจัยโครงการขั้นสูงด้านการป้องกันประเทศของสหรัฐอเมริกา (DARPA)แผน WBGSนอกจากนี้ยังให้ความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างพลังงานกว้างทั้งบริษัท Cree และ Sterling ต่างได้รับสัญญาที่เกี่ยวข้องเป้าหมายคือการขยายขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นรองพื้น SiC ชนิด N และกึ่งฉนวนให้เป็น 100 มม. และลดความหนาแน่นของไมโครทิวบ์ให้เหลือน้อยกว่า 1 ซม.⁻²

อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ทุกธุรกิจที่ได้รับเงินทุนจะประสบความสำเร็จ

ธันวาคม 2000,ลิตตันอินดัสทรีส์ถูกขายในราคา 3.8 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ (ประมาณ 24.5 พันล้านหยวน) หรือ 80 ดอลลาร์สหรัฐต่อหุ้นกรัมแมน Northropการเข้าซื้อกิจการ ในช่วงปลายปี 2001 แผนกวิจัยและพัฒนา SiC ของ Litton-Airtron ได้เข้าซื้อกิจการได้รับโดย II-VI

ในปี 2002 เพียงไม่กี่สัปดาห์หลังจากได้รับสัญญาจาก DARPAเงินสเตอร์ลิงบริษัท Uniroyal Corporation ซึ่งเป็นบริษัทแม่ของ Uniroyal Corporation ได้ยื่นขอล้มละลาย ส่งผลให้บุคลากรด้านเทคนิคที่สำคัญจำนวนมากต้องออกจากบริษัทไปบริษัท Dow Corning เข้าซื้อกิจการ Sterling ในทันที

และ,การพัฒนาเทคโนโลยี SiC ในช่วงแรกนั้นไม่เป็นไปตามเป้าหมายที่วางไว้ในสัญญาดังที่คุณเห็นจากภาพด้านล่าง คุณภาพของ Cree ดีกว่าคู่แข่งอย่างเห็นได้ชัด

รูปที่ 4 ภาพถ่ายแบบครอสโพลาไรเซชันของ Cree 75 มม., DOW 75 มม. และ II-VI 50 มม. 4HN SiC (ด้านบน) และ SiC กึ่งฉนวน (ด้านล่าง) ประมาณปี 2002

ในปี 2005 การสนับสนุนวัสดุตั้งต้น SiC จาก DARPA ได้สิ้นสุดลงโดยพื้นฐานแล้วมีเพียง Cree เท่านั้นที่แสดงให้เห็นถึงสัญญาณที่ชัดเจนในการเร่งการนำวัสดุพื้นฐาน SiC มาใช้ในเชิงพาณิชย์ ในขณะนั้น การวิจัยและพัฒนาของ Dow Corning ยังคงประสบปัญหา และความคืบหน้าของ II-VI ก็ช้ามากเช่นกัน

ต่อมา DARPA ได้มุ่งเน้นการลงทุนไปที่สวิตช์พลังงาน SiC และอุปกรณ์ RF GaN เป็นหลัก ซึ่งธุรกิจวัสดุรองรับของ Cree ได้รับประโยชน์จากสิ่งนี้

ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 ครี (Cree) ยังคงเป็นผู้นำในการพัฒนาและส่งเสริมเทคโนโลยีวัสดุพื้นฐาน SiC อย่างต่อเนื่อง ด้วยการบูรณาการในแนวดิ่ง พวกเขาสามารถผลักดันการปรับปรุงคุณภาพวัสดุโดยตรงผ่านความต้องการใช้งานภายในองค์กรแต่สิ่งนี้ก็หมายความว่าลูกค้าที่เป็นทั้งผู้จัดหาวัสดุตั้งต้นและผลิตภัณฑ์เอพิแท็กซี ก็คือคู่แข่งหลักของพวกเขาด้วยเช่นกัน

สหรัฐอเมริกาเชื่อว่าปัจจุบันมีผู้จำหน่ายแผ่นรองพื้น SiC เพียงรายเดียว ซึ่งอาจเป็นอุปสรรคต่อการพัฒนาอุตสาหกรรมซัพพลายเออร์ของวัสดุตั้งต้น SiC บริสุทธิ์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาและการนำเทคโนโลยีอุปกรณ์ SiC และ GaN ไปใช้ในเชิงพาณิชย์ในระยะยาว

ดังนั้น ตั้งแต่ปี 2003 ถึงปี 2017AFRL ได้มอบสัญญาขนาดใหญ่ 4 ฉบับให้แก่บริษัท II-VI รวมมูลค่ากว่า 350 ล้านหยวน

เป้าหมายหลักของสัญญาสองฉบับแรกคือการขยายขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ 4HN SiC ให้เป็น 100 มม.อย่างไรก็ตาม ในขณะนั้น บริเวณขอบ SiC 6H กึ่งฉนวนขนาด 100 มม. ของ II-VI ถูกปกคลุมไปด้วยผลึกที่เกิดขึ้นและข้อบกพร่องอื่นๆความหนาแน่นของไมโครทิวบูลสูงถึง 117 cm-2(ดูภาพด้านล่าง)

ดังนั้น ในขณะที่สนับสนุน II-VIAFRL ยังให้การสนับสนุน Intrinsic ในการพัฒนา SiC อีกด้วยIntrinsic ผลิตโดยSหลังจากที่บริษัทเทอร์ลิงเข้าซื้อกิจการแล้วของบุคลากรหลัก

Intrinsic ได้แสดงให้เห็นถึงการผลิต SiC ขนาด 100 มม. คุณภาพสูงได้อย่างรวดเร็วและประสบความสำเร็จภายในเวลาไม่ถึงสองปีที่สำคัญกว่านั้น ในเดือนกันยายนปี 2005 Intrinsic เป็นผู้นำในการเปิดตัวผลิตภัณฑ์ใหม่ท่อไมโครศูนย์ (ZMPTM) 4HN SiC(ดูภาพด้านล่าง)

แต่ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2006ครีเข้าซื้อกิจการอินทรินซิกในปี 2007 Cree ได้เปิดตัว SiC รุ่น 4HN ZMPTM ขนาด 100 มม. และ SiC รุ่นกึ่งฉนวนขนาด 100 มม.

โชคดีนอกจากนี้ยังมีความคืบหน้าในการวิจัยและพัฒนา II-VI ด้วย,มีอยู่2003-2010ในช่วงเวลานี้ II-VI ได้ขยายขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของผลึกจาก 50 มม. เป็น 100 มม. และยังได้เปิดตัว 4HNSiC ขนาด 100 มม. และ SiC กึ่งฉนวนอีกด้วย

คำบรรยายภาพ: แผ่นรองพื้น SiC 6H กึ่งฉนวน II-VI ขนาด 100 มม. (ด้านบน) และแผ่นรองพื้น SiC 4HN ขนาด 100 มม. (ด้านล่าง)

ในช่วงปลายปี 2010 AFRL ได้ลงนามในสัญญาที่ใหญ่ที่สุดกับ II-VI——มากกว่า 20 ล้านดอลลาร์สหรัฐ (ประมาณ 130 ล้านหยวน)โดยมุ่งเน้นที่การพัฒนาและการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์มีให้เลือกทั้งท่อ SiC 4HN ขนาด 6 นิ้ว และท่อ SiC 6H กึ่งฉนวน รวมถึงการขยายขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางต่อเนื่องไปจนถึง 8 นิ้ว.

นับตั้งแต่ได้รับการสนับสนุนทางการเงิน II-VI ได้ลงทุนอย่างมากในด้านสิ่งอำนวยความสะดวกและอุปกรณ์ต่างๆ รวมถึงการขยายโรงงานในรัฐนิวเจอร์ซีย์ และการจัดตั้งโรงงานผลิตสองแห่งในรัฐมิสซิสซิปปี

ท้ายที่สุดแล้ว II-VI อาศัยเทคโนโลยีที่ได้รับสิทธิบัตรเฉพาะของตนเองการขนส่งไอระเหยทางกายภาพขั้นสูง (APVT) และการขนส่งแบบไล่ระดับตามแนวแกน (AGT)เทคโนโลยีการเจริญเติบโตของผลึกเป้าหมายในการผลิตผลึกเดี่ยว SiC ขนาด 6 นิ้วและ 8 นิ้วประสบความสำเร็จแล้ว

II-VI ได้สาธิต SiC ที่มีฉนวนกึ่งตัวนำ 6H ขนาด 100 มม. และ SiC ที่มีฉนวน 4HN ขนาด 150 มม. โดยปราศจากไมโครทิวบ์ ในปี 2013 และ 2014 ตามลำดับ; กรกฎาคม 2015กลายเป็นบริษัทแรกที่จัดแสดงจอ 4HN SiC ขนาด 8 นิ้ว

ในเดือนมีนาคม 2017 AFRL ได้มอบสัญญาฉบับที่สี่ให้แก่ II-VI เป็นระยะเวลาห้าปีรัฐบาลให้เงินสนับสนุน 12 ล้านดอลลาร์สหรัฐ (ประมาณ 774.8 พันล้านหยวน)งานวิจัยนี้มุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิต ลดข้อบกพร่อง และลดต้นทุนเพื่อปลูกและผลิตแผ่น SiC ชนิด 4HN และ SiC กึ่งฉนวน หนา 200 มม.

ผลึกขนาดใหญ่ที่ปราศจากข้อบกพร่องเหล่านี้ถูกปลูกโดยใช้แพลตฟอร์มการปลูกแบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบใหม่ และ II-VI ประสบความสำเร็จในการลดความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนของ SiC 4HN ขนาด 200 มม. ลงเหลือลดลงเหลือ 1881 ซม.-2,ที่ประกอบด้วยความหนาแน่นของสกรู 598 cm⁻² และความหนาแน่นของฐาน 272 cm⁻²

ในแง่ของซิลิคอนคาร์ไบด์กึ่งฉนวน II-VI ใช้การชดเชยด้วยวาเนเดียมเพื่อสร้างระดับพลังงานลึกภายในช่องว่างแถบพลังงานเราเป็นผู้จำหน่ายเพียงรายเดียวในตลาดสำหรับซิลิกาซิลิคอนไดออกไซด์ (SiC) กึ่งฉนวนที่เจือด้วยวาเนเดียมโดยมีค่าความต้านทานที่สามารถทำซ้ำได้และสม่ำเสมอสูงเกิน 1011¹¹ Ω·cm

2019 ตุลาคมII-VI ได้สาธิตการผลิต SiC กึ่งฉนวน 6H ขนาด 200 มม. เป็นครั้งแรกในอุตสาหกรรม

ตลอดหลายปีที่ผ่านมา 30กระทรวงกลาโหมสหรัฐฯ ให้ทุนสนับสนุนกว่า 100,000 ดอลลาร์สำหรับเซมิคอนดักเตอร์แบบแถบพลังงานกว้าง1 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ (ประมาณ 6.457 พันล้านหยวน)กล่าวได้ว่าอุตสาหกรรมใหม่ทั้งหมดได้ถือกำเนิดขึ้นบริษัทต่างๆ เช่น Cree Research, Westinghouse, Northrop-Grumman, ATMI, Sterling, Litton-Airtron, Dow และ Intrinsic บางบริษัทถูกซื้อกิจการไปแล้ว และบางบริษัทก็หายไปจากตลาดและWolfspeed-Cree, II-VI "ผู้ชนะได้ทั้งหมด"ส่วนแบ่งการตลาดโลกรวมในปัจจุบันของทั้งสองบริษัทมากกว่า 70%

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากความต้องการใช้งาน SiC ในเชิงพาณิชย์และทางทหารเติบโตอย่างรวดเร็ว บริษัททั้งสองนี้จึงได้ขยายการผลิตอย่างต่อเนื่องเช่นกันในเดือนกันยายนปี 2019 Wolfspeed-Cree ประกาศความมุ่งมั่นที่จะลงทุน1 พันล้านเหรียญสหรัฐกำลังสร้างโรงงานผลิตชิ้นส่วน SiC สำหรับพลังงานและคลื่นวิทยุที่ใหญ่ที่สุดในโลกและ II-VI ยังคงขยายกำลังการผลิตอย่างต่อเนื่องในรัฐนิวเจอร์ซีย์ เพนซิลเวเนีย และแมสซาชูเซตส์

ข้อสงวนสิทธิ์: บทความนี้คัดลอกมาจาก "แนวโน้มเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม" บทความนี้เป็นเพียงความคิดเห็นส่วนตัวของผู้เขียนเท่านั้น และไม่ได้แสดงถึงความคิดเห็นของ Sacco Micro และอุตสาหกรรม การคัดลอกและเผยแพร่มีจุดประสงค์เพื่อสนับสนุนการคุ้มครองสิทธิ์ในทรัพย์สินทางปัญญาเท่านั้น โปรดระบุแหล่งที่มาและผู้เขียนต้นฉบับเมื่อนำไปเผยแพร่ซ้ำ หากพบการละเมิดลิขสิทธิ์ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก