Những lý do nào khiến vật liệu bán dẫn silicon carbide (SiC) có tương lai tươi sáng?

Chúng nhỏ gọn, mạnh mẽ và cực kỳ hiệu quả: Các chất bán dẫn làm từ silicon carbide có thể giúp nâng tầm điện tử công suất trong pin và cảm biến lên một cấp độ mới – đóng góp quan trọng vào những đột phá trong xe điện và hỗ trợ quá trình số hóa ngành công nghiệp.  
   
 

Các chất bán dẫn làm từ cacbua silic (SiC) xử lý điện năng hiệu quả hơn so với các chất bán dẫn truyền thống trong một số ứng dụng quan trọng. Do đó, công nghệ mới này đặc biệt được các nhà sản xuất xe điện quan tâm: nhờ sử dụng chất bán dẫn SiC, việc điều khiển pin được cải thiện giúp tiết kiệm năng lượng, từ đó làm tăng đáng kể tuổi thọ của xe điện. Chất bán dẫn dựa trên SiC cũng cho phép sạc nhanh hơn. Hiện nay, đã có rất nhiều chất bán dẫn trong mỗi chiếc xe điện. Trong tương lai, các thiết bị chuyển đổi SiC nói riêng sẽ trở nên phổ biến hơn nhờ những ưu điểm về tốc độ chuyển mạch, khả năng tản nhiệt và kích thước nhỏ gọn. Các công ty khác, chẳng hạn như các nhà cung cấp mạng di động, nhà sản xuất điện thoại thông minh và ngành công nghiệp tự động hóa, cũng đặt nhiều kỳ vọng vào các vi mạch này.
 

Ưu điểm và ứng dụng của chất bán dẫn SiC    
   

10 lần

So với các chất bán dẫn silicon truyền thống, chất bán dẫn điện tử công suất SiC có thể được chế tạo từ các vật liệu nhỏ hơn nhiều. Điều này có thể thực hiện được vì chúng có băng thông rộng hơn, cho phép chúng chuyển đổi năng lượng điện với tổn thất nhiệt ít hơn. Chất bán dẫn silicon phải lớn hơn nhiều để đạt được hiệu suất tương tự.

 
 

Giảm giá lên đến 50%

So với các chất bán dẫn silicon thông thường, chất bán dẫn SiC có tổn thất nhiệt cao hơn. Do đó, một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của chất bán dẫn SiC là điện tử công suất, tức là chuyển đổi năng lượng điện thành dạng năng lượng mà các thiết bị có thể sử dụng được. Ví dụ, đối với máy tính xách tay, chất bán dẫn được tích hợp trong biến áp của bộ sạc. Cho đến nay, chất bán dẫn silicon chủ yếu được sử dụng cho mục đích này, nhưng chúng phát ra lượng lớn năng lượng dưới dạng nhiệt. Bằng cách sử dụng chất bán dẫn silicon carbide, tổn thất nhiệt được giảm đáng kể và có nhiều năng lượng hơn để sạc.  
 
 
  300–500％  

So với transistor silicon, transistor SiC cũng có thể tăng tần số chuyển mạch. Đây là một lý do khác giải thích tại sao chất bán dẫn SiC có thể được sử dụng để tạo ra các linh kiện có kích thước nhỏ hơn đáng kể.  
 
 
 

10% đến 15%

Các chất bán dẫn SiC có thể giúp xe điện có phạm vi hoạt động xa hơn vì chúng có thể chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn. Kết quả là, các nhà sản xuất ô tô có thể lắp đặt pin nhỏ hơn trong xe điện của họ. Đây là một lợi ích kép cho các nhà sản xuất và có thể tạo động lực cho ngành công nghiệp.

 
 

Phù hợp với công nghệ 5G hiện đại.

Các chất bán dẫn SiC cũng rất lý tưởng. Mạng siêu tốc sẽ đòi hỏi lượng điện năng và hiệu năng khổng lồ, đặc biệt là từ các thành phần cơ sở hạ tầng như trạm truyền tải. Để giúp điện thoại thông minh sạc nhanh hơn, các nhà sản xuất có thể sử dụng chất bán dẫn SiC trong tương lai. Ngoài ra, các chất bán dẫn mới này rất lý tưởng cho bộ sạc không dây và máy chủ trung tâm dữ liệu.  
 
 

Khả năng vô hạn

Các chất bán dẫn SiC mở ra con đường số hóa các quy trình công nghiệp. Ví dụ, các quy trình đòi hỏi tốc độ đặc biệt cao từ các thiết bị điện tử công suất có thể được hỗ trợ tốt hơn với các hệ thống cảm biến nhanh hơn. Việc sử dụng các thiết bị di động điều khiển bằng 5G dựa trên chất bán dẫn SiC cũng mang lại tiềm năng lớn để tối ưu hóa hơn nữa Công nghiệp 4.0.

 

412 tỷ USD

Doanh thu của toàn bộ ngành công nghiệp bán dẫn năm ngoái. Bán dẫn SiC vẫn là một sản phẩm ngách, với doanh số khoảng 500 triệu đô la. Tuy nhiên, các chuyên gia trong ngành dự đoán rằng xe điện sẽ khiến doanh số bán hàng tăng trưởng nhanh chóng, từ 10% đến 25% mỗi năm trong giai đoạn 2020-2022, và hơn 40% vào năm 2023.  
 
Về cơ bản, tất cả các chất bán dẫn đều được làm từ tinh thể, được tạo ra từ bột (như silic hoặc silic cacbua) ở nhiệt độ rất cao. Sau đó, các tinh thể được cắt thành những lát mỏng gọi là tấm wafer. Các mạch điện tử rất phức tạp có thể được lắng đọng trên các tấm wafer, cuối cùng tạo thành các thiết bị vi điện tử.  Sản xuất vật liệu bán dẫn SiC mới  
  hơn 50 năm  
Đã có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện về sản xuất chất bán dẫn silicon carbide và sự phát triển của tinh thể silicon carbide, và việc phát triển tinh thể silicon carbide chủ yếu sử dụng quy trình vận chuyển hơi vật lý (PVT). Các tinh thể silicon carbide nhỏ được tạo ra ở nhiệt độ cao và áp suất thấp. Các hạt đi qua khí mang đến tinh thể mầm có nhiệt độ thấp hơn, nơi quá trình kết tinh xảy ra do hiện tượng bão hòa quá mức.

 

2400 độ C

Nhiệt độ cao là cần thiết cho quá trình phát triển vật liệu đơn tinh thể cacbua silic. Ngược lại, các tinh thể silic thông thường chỉ cần nhiệt độ khoảng 1,500 độ.

 

10 để 14 ngày

Đây là thời gian cần thiết để nuôi cấy tinh thể silicon carbide trong lò nung. Điều này, cùng với mức tiêu thụ năng lượng cao hơn đáng kể, là một trong những lý do khiến chúng đắt hơn so với tinh thể silicon thông thường, vốn có thể được nuôi cấy trong hai ngày.

 

Đường kính 150mm

Đây là kích thước của các tấm wafer silicon carbide hiện nay. Sắp tới, các tấm wafer SiC có đường kính 200 mm sẽ được sản xuất trên quy mô công nghiệp. Khi đó, kích thước của chúng sẽ đạt tiêu chuẩn của ngành công nghiệp silicon "truyền thống", đánh dấu bước đột phá trong lĩnh vực sản phẩm điện tử dựa trên SiC.