SiC có những đặc tính tuyệt vời với tư cách là vật liệu bán dẫn, đặc biệt là đối với các linh kiện điện tử dùng trong chuyển đổi và điều khiển năng lượng.So với các thiết bị silicon truyền thống, SiC có thể đạt được điện trở bật thấp, tốc độ chuyển mạch cao và hoạt động ở nhiệt độ và điện áp cao, do đó rất phổ biến trong các nguồn điện, ô tô, đường sắt, thiết bị công nghiệp và thiết bị điện tử tiêu dùng gia dụng. Mặc dù cuối cùng SiC có thể được sản xuất thông qua tổng hợp nhân tạo, nhưng việc sản xuất hàng loạt các linh kiện điện SiC từng gây khó khăn cho các nhà nghiên cứu do quy trình chế tạo cực kỳ phức tạp.

※ Silicon carbide (SiC) là gì?

Silicon carbide là một vật liệu bán dẫn hợp chất được cấu tạo từ các nguyên tố cacbon và silic.Silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), aluminum nitride (ALN), gallium oxide (Ga2O3), v.v. được gọi chung là vật liệu bán dẫn có khe năng lượng rộng vì độ rộng khe năng lượng lớn hơn 2.2 eV. Chúng cũng được gọi là vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba ở Trung Quốc.

Về mặt vật liệu, ngành công nghiệp bán dẫn được chia thành:

Vật liệu bán dẫn nguyên tố thế hệ đầu tiên: chẳng hạn như silic (Si) và germani (Ge);

Vật liệu bán dẫn phức hợp thế hệ thứ hai: chẳng hạn như gali arsenua (GaAs), indi photphua (InP), v.v.;

Thế hệ thứ ba của vật liệu có dải năng lượng rộng: chẳng hạn như cacbua silic (SiC), nitrua gali (GaN), nitrua nhôm (ALN), oxit gali (Ga2O3), v.v.

Trong số đó, cacbua silic và nitrua gali là những vật liệu bán dẫn có triển vọng thương mại sáng giá nhất hiện nay, và có thể được gọi là "con đường vàng" thế hệ mới trong ngành công nghiệp bán dẫn.

Lần đầu tiên silicon carbide được phát hiện trong lịch sử là vào năm 1891. Nhà khoa học người Mỹ Acheson đã phát hiện ra một hợp chất cacbon trong quá trình điện phân kim cương. Đây là lần tổng hợp và phát hiện silicon carbide đầu tiên. Sau hàng trăm năm nghiên cứu, đặc biệt là sau khi bước sang thế kỷ 21, nhân loại cuối cùng đã làm rõ được những ưu điểm và đặc tính của silicon carbide và sử dụng những đặc tính này để chế tạo nhiều thiết bị mới. Ngành công nghiệp silicon carbide đã phát triển nhanh chóng.

So với các vật liệu silicon truyền thống, khe năng lượng của silicon carbide gấp 3 lần so với silicon; độ dẫn nhiệt gấp 4-5 lần so với silicon; điện áp đánh thủng gấp 8 lần so với silicon; và tốc độ trôi bão hòa điện tử gấp 2 lần so với silicon.Nhiều đặc tính khác nhau khiến silicon carbide đặc biệt thích hợp để chế tạo các thiết bị tần số cao và công suất cao, có thể chịu được nhiệt độ cao, điện áp cao và dòng điện cao.

Hiện nay, có khoảng 200 dạng cấu trúc tinh thể của silic cacbua đã được biết đến, bao gồm cấu trúc tinh thể α sphalerit xếp chặt lập phương (2H, 4H, 6H, 15R) và cấu trúc tinh thể β wurtzit xếp chặt lục giác (3C-SiC).

Trong số đó, cấu trúc tinh thể β (3C-SiC) có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị tần số cao và chất nền cho các vật liệu màng mỏng khác, chẳng hạn như nuôi cấy các lớp màng mỏng gallium nitride và sản xuất các thiết bị tần số vô tuyến vi sóng gallium nitride dựa trên silicon carbide. Dạng tinh thể α 4H có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị công suất cao; 6H là dạng ổn định nhất và có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị quang điện tử.

※ Ưu điểm về hiệu năng của cacbua silic

Nếu chỉ xét riêng các chip silicon carbide, về mặt bán dẫn công suất, silicon carbide có những ưu điểm vượt trội so với các chip công suất truyền thống dựa trên silicon: silicon carbide có thể chịu được dòng điện và điện áp lớn hơn, tốc độ chuyển mạch nhanh hơn, tổn thất năng lượng nhỏ hơn và chịu được nhiệt độ cao tốt hơn. Do đó, các module công suất làm từ silicon carbide có thể giảm tương ứng các thành phần tụ điện, cuộn cảm, cuộn dây và các thành phần tản nhiệt, giúp toàn bộ module thiết bị công suất nhẹ hơn, tiết kiệm năng lượng hơn và có công suất đầu ra mạnh hơn. Nó cũng tăng cường độ tin cậy. Ưu điểm rất rõ ràng. Tóm tắt cụ thể như sau:

1. Trở kháng thấp hơn giúp thiết kế sản phẩm nhỏ gọn hơn và hiệu quả cao hơn;

2. Thích hợp cho tần số cao hơn và tốc độ chuyển mạch nhanh hơn;

3. Đặc tính chịu nhiệt tuyệt vời, có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao hơn.

※ Tại sao cacbua silic lại đắt như vậy?

Ai cũng biết rằng silicon carbide có triển vọng kinh doanh khổng lồ trong tương lai, nhưng bất cứ ai tham gia vào ngành này đều sẽ gặp phải vấn đề đầu tiên và thiết thực nhất: làm thế nào để xử lý vật liệu này?

Ít nhất một nửa lý do tạo nên môi trường kinh doanh cực kỳ phát triển của các ngành công nghiệp truyền thống dựa trên silicon là do vật liệu silicon tương đối dễ kiếm.Công nghệ sản xuất vật liệu silicon ngày càng hoàn thiện và hiệu quả, giúp cho vật liệu silicon hiện nay có giá rất rẻ. Hiện tại, một tấm wafer silicon đánh bóng 6 inch chỉ có giá 150 nhân dân tệ, loại 8 inch là 300 nhân dân tệ, và loại 12 inch khoảng 850 nhân dân tệ.

Chỉ khi nguyên liệu thô đủ rẻ thì quy mô của ngành công nghiệp mới có thể mở rộng!

Hiện nay, bằng phương pháp Czochralski, có thể nuôi cấy một thanh tinh thể đơn silicon dài khoảng 2-3 mét trong vòng 72 giờ, và một thanh tinh thể đơn có thể cắt hàng nghìn tấm silicon cùng một lúc.

Bạn có biết tinh thể đơn silicon carbide có thể dày bao nhiêu trong 72 giờ không? Chưa đến vài centimet!!!

Hiện nay, phương pháp nhanh nhất để nuôi cấy tinh thể đơn cacbua silic có tốc độ tăng trưởng khoảng 0.1mm/h-0.2mm/h, do đó độ dày tinh thể chỉ đạt 7.2mm~14.4mm trong 72 giờ.

Như vậy, bạn có thể hình dung được giá thành của các tấm wafer silicon carbide đơn lẻ được sản xuất có thể đắt đỏ đến mức nào. Hiện nay, giá của các tấm nền silicon carbide 4 inch vào khoảng 2,000-3,000 nhân dân tệ, và các tấm nền 6 inch đã đạt mức 6,000-8,000 nhân dân tệ. Các tấm wafer epitaxy có giá ít nhất cao hơn gấp đôi, và chúng vẫn đang trong tình trạng khan hàng.

Là công ty hàng đầu thế giới về silicon carbide, Cree của Hoa Kỳ gần như độc chiếm hơn 70% năng lực sản xuất. Do đó, các nhà sản xuất hạ nguồn trong và ngoài nước đã ký hợp đồng dài hạn với Cree để đảm bảo nguồn cung sản phẩm.

※ Thị trường cacbua silic

Các MOSFET và điốt cacbua silic được sử dụng trong năng lượng mặt trời, UPS, công nghiệp, ô tô và các ứng dụng khác:Vật liệu SiC chủ yếu được sử dụng trong các bộ biến tần cho hệ thống lưu trữ năng lượng quang điện, bộ nguồn UPS cho máy chủ trung tâm dữ liệu, trạm sạc lưới điện thông minh và các lĩnh vực khác đòi hỏi hiệu suất chuyển đổi cao. Tuy nhiên, với sự phát triển của xe điện và xe hybrid (xEV) trong những năm gần đây, SiC cũng đang nổi lên nhanh chóng trong lĩnh vực mới này. Các ngành công nghiệp tiềm năng bao gồm năng lượng (quang điện, sạc xe điện, lưới điện thông minh, v.v.), ô tô (bộ sạc OBC, bộ biến tần), cơ sở hạ tầng (máy chủ), v.v.

Tóm lại, trong tương lai gần, chúng ta có thể dự đoán rằng silicon carbide sẽ tạo ra một cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp điện tử công suất!

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được đăng lại từ "Today's Semiconductor", một ấn phẩm ủng hộ việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn gốc và tác giả của bài đăng lại. Nếu phát hiện bất kỳ sự vi phạm nào, vui lòng liên hệ với chúng tôi để gỡ bỏ.

Số điện thoại công ty: +86-0755-83044319
Số fax: +86-0755-83975897
Email: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Quản lý Li

QQ: 332496225 Quản lý Qiu

Địa chỉ: Phòng 809, Tòa nhà C, Tòa nhà Công nghệ Zhantao, Số 1079 Đại lộ Minzhi, Khu Longhua Mới, Thâm Quyến