เข้าใจชีวิตที่ผ่านมาของซิลิคอนคาร์ไบด์!

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ถูกหลอมที่อุณหภูมิสูงในเตาต้านทานโดยใช้ทรายควอทซ์ โค้กปิโตรเลียม (หรือโค้กถ่านหิน) และเศษไม้เป็นวัตถุดิบ ซิลิคอนคาร์ไบด์ยังมีอยู่ในธรรมชาติในรูปของแร่หายากอย่างมอยซาไนต์ ซิลิคอนคาร์ไบด์เรียกอีกอย่างว่า moissanite ในบรรดาวัตถุดิบทนไฟไฮเทคที่ไม่ใช่ออกไซด์ร่วมสมัย เช่น C, N และ B ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัตถุดิบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและประหยัดที่สุด เรียกได้ว่าเป็นทรายทรายหรือทรายทนไฟก็ได้

1. ชีวิตของซิลิคอนคาร์ไบด์ในอดีตและปัจจุบัน
เนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียร ค่าการนำความร้อนสูง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ และความต้านทานการสึกหรอที่ดี ซิลิคอนคาร์ไบด์จึงมีประโยชน์อื่นๆ อีกมากมายนอกเหนือจากการใช้เป็นสารขัดถู เช่น การเคลือบผงซิลิกอนคาร์ไบด์ด้วยกระบวนการพิเศษ บนผนังด้านในของ ใบพัดกังหันหรือบล็อกกระบอกสูบสามารถปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอและยืดอายุการใช้งานได้ 1 ถึง 2 เท่า วัสดุทนไฟขั้นสูงที่ทำจากวัสดุทนแรงกระแทกด้วยความร้อน ขนาดเล็ก น้ำหนักเบา มีความแข็งแรงสูง และมีผลการประหยัดพลังงานที่ดี ซิลิคอนคาร์ไบด์เกรดต่ำ (ที่มี SiC ประมาณ 85%) เป็นสารกำจัดออกซิไดซ์ที่ดีเยี่ยม สามารถเร่งการผลิตเหล็ก อำนวยความสะดวกในการควบคุมองค์ประกอบทางเคมี และปรับปรุงคุณภาพของเหล็ก นอกจากนี้ ซิลิคอนคาร์ไบด์ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตแท่งซิลิกอนคาร์ไบด์สำหรับองค์ประกอบความร้อนไฟฟ้า
ซิลิคอนคาร์ไบด์มีความแข็งมาก โดยมีความแข็ง Mohs อยู่ที่ 9.5 รองจากเพชรที่แข็งที่สุดในโลกเท่านั้น (ระดับ 10) มีค่าการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม เป็นสารกึ่งตัวนำ และสามารถต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงได้

2. ลักษณะที่ได้เปรียบของอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์
ปัจจุบันซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบแถบความถี่กว้างที่เติบโตเต็มที่ที่สุด ประเทศต่างๆ ทั่วโลกให้ความสำคัญอย่างยิ่งต่อการวิจัย SiC และได้ลงทุนกำลังคนและทรัพยากรวัสดุจำนวนมากในการพัฒนาเชิงรุก สหรัฐอเมริกา ยุโรป ญี่ปุ่น ฯลฯ ไม่เพียงแต่มีการกำหนดแผนการวิจัยที่สอดคล้องกันในระดับชาติเท่านั้น และยักษ์ใหญ่ด้านอิเล็กทรอนิกส์ระดับนานาชาติบางรายยังได้ลงทุนอย่างมากในการพัฒนาอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์อีกด้วย
เมื่อเปรียบเทียบกับซิลิคอนทั่วไป ส่วนประกอบที่ใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์จะมีลักษณะดังต่อไปนี้:

ลักษณะไฟฟ้าแรงสูง:
อุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์มีความต้านทานแรงดันไฟฟ้าเป็น 10 เท่าของอุปกรณ์ซิลิกอนที่เทียบเท่ากัน
ความต้านทานแรงดันไฟฟ้าของท่อซิลิคอนคาร์ไบด์ Schottky สามารถเข้าถึง 2400V
หลอดเอฟเฟกต์สนามซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าได้หลายหมื่นโวลต์ และความต้านทานในสถานะไม่ใหญ่มาก

ลักษณะความถี่สูง:

ลักษณะอุณหภูมิสูง:
ทุกวันนี้ เมื่อวัสดุ Si ใกล้ถึงขีดจำกัดประสิทธิภาพตามทฤษฎี อุปกรณ์กำลัง SiC มักจะถูกมองว่าเป็น "อุปกรณ์ในอุดมคติ" และได้รับการคาดหวังอย่างสูงเนื่องจากมีแรงดันไฟฟ้าทนสูง การสูญเสียต่ำ ประสิทธิภาพสูง และคุณลักษณะอื่นๆ อย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์วัสดุ Si รุ่นก่อนๆ ความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและราคาของอุปกรณ์จ่ายไฟ SiC และความต้องการเทคโนโลยีขั้นสูงจะกลายเป็นกุญแจสำคัญที่ทำให้อุปกรณ์จ่ายไฟ SiC ได้รับความนิยมอย่างแท้จริงหรือไม่

ปัจจุบันอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์พลังงานต่ำได้เข้าสู่ขั้นตอนการผลิตอุปกรณ์เชิงปฏิบัติจากห้องปฏิบัติการแล้ว ปัจจุบันราคาของเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ยังค่อนข้างสูงและมีข้อบกพร่องมากมายเช่นกัน ด้วยการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง คาดว่าอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์จะครองตลาดอุปกรณ์กำลังภายในประมาณปี 2010 แต่ไม่ได้เป็นเช่นนั้น

3. สถานการณ์การพัฒนาอุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ในปัจจุบันเป็นอย่างไร?
1. พารามิเตอร์ทางเทคนิค: ตัวอย่างเช่น แรงดันไฟฟ้าของไดโอด Schottky เพิ่มขึ้นจาก 250 โวลต์เป็นมากกว่า 1,000 โวลต์ พื้นที่ชิปมีขนาดเล็กลง แต่กระแสไฟเพียงไม่กี่สิบแอมป์ อุณหภูมิในการทำงานเพิ่มขึ้นเป็น 180 องศา ซึ่งอยู่ไกลจากการแนะนำ 600 องศา แรงดันไฟฟ้าตกยังไม่น่าพอใจอีกด้วย มันไม่ต่างจากวัสดุซิลิกอน และแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าสูงจะต้องถึง 2V
2. ราคาตลาด: ประมาณ 5 ถึง 6 เท่าของการผลิตวัสดุซิลิกอน

4. อะไรคือความยากลำบากในการพัฒนาซิลิกอนคาร์ไบด์ (อุปกรณ์ SiC )?ปัญหาในการพัฒนาอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์ไม่ใช่การออกแบบหลักการของชิป โดยเฉพาะการออกแบบโครงสร้างชิป การแก้ไขไม่ใช่เรื่องยาก ความยากลำบากอยู่ที่การตระหนักถึงกระบวนการผลิตโครงสร้างชิป ตัวอย่างมีดังต่อไปนี้: 1. ความหนาแน่นของข้อบกพร่องของท่อไมโครไพพ์ของเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ 2. ประสิทธิภาพกระบวนการ epitaxis ต่ำ 3. กระบวนการเติมสารต้องห้ามมีข้อกำหนดพิเศษ

4. การผลิตหน้าสัมผัสแบบโอห์มมิก 5. ความต้านทานต่ออุณหภูมิของวัสดุรองรับ

ข้างต้นเป็นเพียงตัวอย่างเล็กๆ น้อยๆ ไม่ใช่ทั้งหมด ยังคงมีปัญหากระบวนการมากมายที่ไม่มีวิธีแก้ปัญหาในอุดมคติ เช่น กระบวนการขุดร่องพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ กระบวนการสร้างทู่ที่ส่วนท้าย และผลกระทบของสถานะอินเทอร์เฟซของชั้นเกทออกไซด์ต่อความเสถียรในระยะยาวของอุปกรณ์ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ อุตสาหกรรมยังมีฉันทามติหรือไม่? ข้อสรุปที่สม่ำเสมอ ฯลฯ ได้ขัดขวางการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุปกรณ์พลังงานซิลิคอนคาร์ไบด์

5. ภาพรวมการพัฒนาด้านการใช้งานหลักของซิลิคอนคาร์ไบด์

ปัจจุบัน วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามกำลังก่อให้เกิดการปฏิวัติด้านพลังงานสะอาดและเทคโนโลยีสารสนเทศอิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่ ไม่ว่าจะเป็นอุปกรณ์แสงสว่าง เครื่องใช้ในครัวเรือน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ยานพาหนะพลังงานใหม่ สมาร์ทกริด หรืออุปกรณ์ทางการทหาร เซมิคอนดักเตอร์ประสิทธิภาพสูงเหล่านี้เป็นวัสดุที่เป็นที่ต้องการอย่างมาก จากการพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม การใช้งานหลักของเซมิคอนดักเตอร์ ได้แก่ ไฟส่องสว่างเซมิคอนดักเตอร์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง เลเซอร์และเครื่องตรวจจับ และสาขาอื่นๆ อีกสี่สาขา
1. แสงเซมิคอนดักเตอร์
ในบรรดาการใช้งานทั้งสี่ด้าน อุตสาหกรรมแสงสว่างแบบเซมิคอนดักเตอร์ได้พัฒนาเร็วที่สุดและได้สร้างระดับอุตสาหกรรมที่มีมูลค่านับหมื่นล้านดอลลาร์
2. จ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
ในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง การประยุกต์ใช้เซมิคอนดักเตอร์แบบ bandgap แบบกว้างเพิ่งเริ่มต้นขึ้น และขนาดของตลาดก็เพียงไม่กี่ร้อยล้านดอลลาร์สหรัฐ การใช้งานส่วนใหญ่เน้นไปที่อุปกรณ์ล้ำสมัยทางทหาร และค่อยๆ ขยายไปสู่สาขาพลเรือน
3. เลเซอร์และเครื่องตรวจจับ
ในด้านการใช้งานเลเซอร์และเครื่องตรวจจับ เลเซอร์ที่ใช้ GaN สามารถครอบคลุมช่วงสเปกตรัมกว้าง และทำให้เกิดการผลิตเลเซอร์สีน้ำเงิน เขียว และอัลตราไวโอเลตและการตรวจจับอัลตราไวโอเลต
4. การใช้งานอื่นๆ
ในด้านการวิจัยที่ล้ำสมัย สามารถใช้เซมิคอนดักเตอร์แบบแถบความถี่กว้างในเซลล์แสงอาทิตย์ ไบโอเซนเซอร์ ตัวกลางการผลิตไฮโดรเจนที่ใช้น้ำ และการใช้งานที่เกิดขึ้นใหม่อื่นๆ ปัจจุบันพื้นที่ร้อนเหล่านี้ยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัยและพัฒนาในห้องปฏิบัติการ