อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามคืออะไร?

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์สามารถแบ่งออกเป็นสามชั่วอายุคนตามลำดับเวลา รุ่นแรกประกอบด้วยวัสดุองค์ประกอบทั่วไปเช่นเจอร์เมเนียมและซิลิคอนซึ่งมีลักษณะโดยการสลับที่สะดวกและโดยทั่วไปจะใช้ในวงจรรวม สารประกอบเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองเช่น Gallium Arsenide และ Indium Phosphide ส่วนใหญ่จะใช้ในการเรืองแสงและวัสดุการสื่อสาร เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามส่วนใหญ่รวมถึงเซมิคอนดักเตอร์ผสมเช่นซิลิกอนคาร์ไบด์และ Gallium Nitride รวมถึงองค์ประกอบพิเศษเช่น Diamond ด้วยคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่ยอดเยี่ยมวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์จะค่อยๆถูกนำไปใช้ในสาขาพลังงานและอุปกรณ์ความถี่วิทยุ

เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามมีแรงดันไฟฟ้าที่ดีกว่าและเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับอุปกรณ์พลังงานสูง เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามส่วนใหญ่ประกอบด้วยวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์และแกลเลียมไนไตรด์ ความกว้างของ bandgap ของ SIC คือ 3.2ev และของ GaN คือ 3.4ev ซึ่งเกินความกว้างของ bandgap ของ Si ที่ 1.12ev เนื่องจากเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามโดยทั่วไปมีช่องว่างในวงกว้างกว่าพวกเขามีความต้านทานแรงดันไฟฟ้าที่ดีกว่าและความต้านทานความร้อนและมักจะใช้ในอุปกรณ์พลังงานสูง ในหมู่พวกเขาซิลิคอนคาร์ไบด์ได้เข้าร่วมแอปพลิเคชันขนาดใหญ่ ในสาขาอุปกรณ์พลังงานไดโอดซิลิกอนคาร์ไบด์และ MOSFETs ได้เริ่มการใช้งานเชิงพาณิชย์

อุปกรณ์พลังงานที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์เนื่องจากสารตั้งต้นมีข้อได้เปรียบมากขึ้นในการทำงานเมื่อเทียบกับอุปกรณ์พลังงานที่ใช้ซิลิกอน: (1) ลักษณะแรงดันไฟฟ้าสูงที่แข็งแกร่งขึ้น ความแรงของสนามไฟฟ้าที่แยกย่อยของซิลิกอนคาร์ไบด์มากกว่าสิบเท่าของซิลิคอนซึ่งทำให้ความต้านทานแรงดันไฟฟ้าสูงของอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์สูงกว่าอุปกรณ์ซิลิกอนเดียวกันอย่างมีนัยสำคัญ (2) ลักษณะอุณหภูมิสูงที่ดีกว่า ซิลิกอนคาร์ไบด์มีค่าการนำความร้อนสูงกว่าซิลิกอนทำให้อุปกรณ์สามารถกระจายความร้อนได้ง่ายขึ้นและช่วยให้อุณหภูมิการทำงานที่สูงที่สุด ความต้านทานอุณหภูมิสูงสามารถเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานได้อย่างมีนัยสำคัญในขณะที่ลดความต้องการสำหรับระบบการกระจายความร้อนทำให้เทอร์มินัลเบาขึ้นและเล็กลง (3) ลดการสูญเสียพลังงาน ซิลิคอนคาร์ไบด์มีอัตราการดริฟท์อิเล็กตรอนที่อิ่มตัวสองเท่าของซิลิคอนซึ่งทำให้อุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์มีความต้านทานต่ำมากและมีการสูญเสียต่ำมาก ซิลิกอนคาร์ไบด์มีความกว้างของ bandgap สามเท่าของซิลิคอนซึ่งลดกระแสรั่วไหลของอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์อย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ซิลิกอนซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียพลังงาน อุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ไม่มีการเพิ่มกระแสไฟฟ้าในระหว่างกระบวนการเปิดปิดมีการสูญเสียการสลับต่ำและเพิ่มความถี่การสลับในการใช้งานจริงอย่างมีนัยสำคัญ

จากข้อมูลที่เกี่ยวข้องการต้านทานของ mosfets ที่ใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีสเปคเดียวกันคือ 1/200 ของ MOSFETs ที่ใช้ซิลิกอนและขนาดของพวกเขาคือ 1/10 ของ mosfets ที่ใช้ซิลิกอน สำหรับอินเวอร์เตอร์ของข้อกำหนดเดียวกันการสูญเสียพลังงานทั้งหมดของระบบที่ใช้ MOSFETs ที่ใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์น้อยกว่า 1/4 เมื่อเทียบกับที่ใช้ IGBTS ที่ใช้ซิลิคอน

จากความแตกต่างของคุณสมบัติทางไฟฟ้าสารตั้งต้นของซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ พื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์กึ่งฉูดฉาดและสารตั้งต้นซิลิกอนคาร์ไบด์ สารตั้งต้นสองประเภทนี้หลังจากนั้นการเจริญเติบโตของ epitaxialจะใช้ตามลำดับเพื่อผลิตอุปกรณ์ที่ไม่ต่อเนื่องเช่นอุปกรณ์พลังงานและอุปกรณ์ความถี่วิทยุ ในหมู่พวกเขาพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์กึ่งฉูดฉาดส่วนใหญ่จะใช้ในการผลิตอุปกรณ์ Gallium nitride RF, อุปกรณ์ optoelectronic ฯลฯ โดยการเติบโตของ Gallium Nitride epitaxial ชั้นบน silicon carbide Hemt. พื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์นำไฟฟ้าส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้า ซึ่งแตกต่างจากกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิมของอุปกรณ์พลังงานซิลิคอนอุปกรณ์พลังงานซิลิกอนคาร์ไบด์ไม่สามารถประดิษฐ์ได้โดยตรงบนพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์ แทนเลเยอร์ epitaxial ของซิลิกอนคาร์ไบด์จะต้องปลูกบนพื้นผิวนำไฟฟ้าเพื่อให้ได้เวเฟอร์ epitaxial silicon carbide จากนั้น schottky diodes, mosfets, IGBTs และอุปกรณ์พลังงานอื่น ๆ สามารถผลิตบนชั้น epitaxial