ซับสเตรตซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) กึ่งฉนวนความบริสุทธิ์สูงเป็นวัสดุพิเศษที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง อุปกรณ์ความถี่วิทยุ (RF) และส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์ความถี่สูงและอุณหภูมิสูง ซิลิคอนคาร์ไบด์ในฐานะวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างพลังงานกว้าง ให้คุณสมบัติทางไฟฟ้า ความร้อน และกลไกที่ยอดเยี่ยม ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันไฟฟ้าสูง ความถี่สูง และอุณหภูมิสูง

นี่คือบทนำโดยละเอียดเกี่ยวกับซับสเตรต SiC กึ่งฉนวนความบริสุทธิ์สูง:

ลักษณะวัสดุของ  ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) กึ่งฉนวน

• คุณสมบัติกึ่งฉนวน: ซับสเตรต SiC กึ่งฉนวนความบริสุทธิ์สูงถูกผลิตขึ้นผ่านเทคนิคการเจือสารที่แม่นยำ ซึ่งส่งผลให้การนำไฟฟ้าต่ำมาก ทำให้มีความต้านทานสูงที่อุณหภูมิห้อง คุณสมบัติกึ่งฉนวนนี้ช่วยให้สามารถแยกพื้นที่ต่างๆ ในการใช้งานทางอิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดการรบกวนทางไฟฟ้า และทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์กำลังสูง ความถี่สูง และแรงดันไฟฟ้าสูง

• การนำความร้อนสูง: ซิลิคอนคาร์ไบด์มีการนำความร้อนประมาณ 4.9 W/cm·K ซึ่งสูงกว่าซิลิคอนมาก ซึ่งช่วยให้มีการกระจายความร้อนที่ดีขึ้น สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ทำงานที่ความหนาแน่นของกำลังไฟสูง ลดความเสี่ยงของความล้มเหลวของอุปกรณ์เนื่องจากการร้อนจัด

• ช่องว่างพลังงานกว้าง: SiC มีช่องว่างพลังงานกว้าง 3.26 eV เมื่อเทียบกับซิลิคอน 1.1 eV ทำให้สามารถจัดการแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นได้ และสามารถทำงานที่ความถี่สูงและกำลังไฟสูงได้ สิ่งนี้ทำให้อุปกรณ์ SiC สามารถทำงานในสภาพแวดล้อมที่โดยทั่วไปจะทำให้อุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอนแบบเดิมล้มเหลว

• ความเสถียรทางเคมี: SiC แสดงความเสถียรทางเคมีที่ดีเยี่ยม ทำให้ทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง ความชื้นสูง และกรดเบส ซึ่งช่วยเพิ่มอายุการใช้งานของส่วนประกอบในสภาวะที่รุนแรง

• ความแข็งแรงทางกลสูง: SiC เป็นที่รู้จักในด้านความแข็งและความแข็งแรงทางกลสูง ทำให้ทนทานต่อความเสียหายทางกายภาพ คุณสมบัตินี้ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานกำลังสูง ซึ่งความแข็งแกร่งทางกลมีความสำคัญอย่างยิ่ง

พื้นที่ใช้งานหลัก

• อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง: เนื่องจากความสามารถในการทนต่ออุณหภูมิสูงและแรงดันไฟฟ้าสูง ซับสเตรต SiC กึ่งฉนวนความบริสุทธิ์สูงจึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลัง เช่นMOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors),IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistors),SBDs (Schottky Barrier Diodes)ฯลฯ อุปกรณ์เหล่านี้มักพบในระบบแปลงพลังงาน ยานยนต์ไฟฟ้า อินเวอร์เตอร์ ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ และอื่นๆ

​

• อุปกรณ์ความถี่วิทยุ (RF): ซับสเตรต SiC เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานความถี่สูงและกำลังสูง เช่น เครื่องขยายเสียง RF ระบบเรดาร์ และอุปกรณ์สื่อสาร ให้ความสามารถในการประมวลผลสัญญาณและความเสถียรที่แข็งแกร่ง

​

• การใช้งานที่อุณหภูมิสูงและแรงดันสูง: ความแข็งแกร่งของ SiC ช่วยให้ทำงานได้ดีในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง รวมถึงการบินและอวกาศ ยานยนต์ และการใช้งานทางทหาร ซึ่งมีอุณหภูมิสูง แรงดันสูง และกำลังไฟสูง

​

• อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์: ซับสเตรต SiC ใช้ในเครื่องตรวจจับแสงอัลตราไวโอเลต เลเซอร์ และอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ เนื่องจากมีการตอบสนองที่แข็งแกร่งต่อแสงอัลตราไวโอเลต ทำให้เหมาะสำหรับการตรวจสอบสิ่งแวดล้อม การทหาร และการใช้งานทางการแพทย์

​

• ยานยนต์ไฟฟ้า (EVs) และยานยนต์พลังงานใหม่: เนื่องจากยานยนต์ไฟฟ้ายังคงเติบโตอย่างต่อเนื่อง ซับสเตรต SiC กึ่งฉนวนความบริสุทธิ์สูงจึงมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในระบบจัดการแบตเตอรี่ ระบบแปลงพลังงาน และการใช้งานกำลังสูงอื่นๆ ในอุตสาหกรรมยานยนต์

ข้อดี

• ประสิทธิภาพสูงและสูญเสียน้อย: ซับสเตรต SiC กึ่งฉนวนความบริสุทธิ์สูงให้การสูญเสียการนำไฟฟ้าต่ำและความสามารถในการจัดการกระแสไฟฟ้าสูง ปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ไฟฟ้าและลดการสูญเสียพลังงาน ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานกำลังสูง

• ช่วงอุณหภูมิการทำงานกว้าง: อุปกรณ์ SiC สามารถทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงกว่าเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ซิลิคอน ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการรักษาประสิทธิภาพที่เสถียรในสภาวะการทำงานที่รุนแรง

• ความทนทานและความน่าเชื่อถือ: ซับสเตรต SiC ทนทานต่ออุณหภูมิสูง การกัดกร่อน และการสึกหรอสูง ซึ่งมีส่วนช่วยให้เกิดความเสถียรและความน่าเชื่อถือในระยะยาวของอุปกรณ์ที่ใช้งาน สิ่งนี้ทำให้มีคุณค่าอย่างยิ่งในการใช้งานที่สำคัญต่อภารกิจซึ่งความล้มเหลวไม่ใช่ทางเลือก

กระบวนการผลิต

• การเติบโตของคริสตัล: ซับสเตรต SiC กึ่งฉนวนความบริสุทธิ์สูงถูกปลูกโดยใช้วิธีการต่างๆ เช่นChemical Vapor Deposition (CVD)หรือPhysical Vapor Transport (PVT)ทำให้มั่นใจได้ว่าคริสตัลคุณภาพสูงมีข้อบกพร่องน้อยที่สุดเพื่อตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลัง

• การควบคุมการเจือสาร: เทคนิคการเจือสาร (เช่น การเจือสารอะลูมิเนียมหรือไนโตรเจน) ได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้ลักษณะกึ่งฉนวนที่ต้องการ พร้อมการปรับค่าความต้านทานและคุณสมบัติทางไฟฟ้าอย่างแม่นยำ กระบวนการนี้ต้องใช้เทคโนโลยีขั้นสูงและการควบคุมกระบวนการอย่างเข้มงวดเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพของซับสเตรตที่ดีที่สุด

• การปรับสภาพพื้นผิว: หลังจากการเติบโต ซับสเตรต SiC จะผ่านการขัดเงาและทำความสะอาดพื้นผิวอย่างเข้มงวดเพื่อกำจัดข้อบกพร่องและลดความหนาแน่นของประจุบนพื้นผิว ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ขั้นสุดท้าย

แนวโน้มตลาด

ความต้องการซับสเตรต SiC กึ่งฉนวนความบริสุทธิ์สูงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเนื่องจากการนำยานยนต์ไฟฟ้า กริดอัจฉริยะ พลังงานหมุนเวียน (เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม) และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังประสิทธิภาพสูงที่เพิ่มขึ้น ในขณะที่เทคนิคการผลิตซับสเตรต SiC ยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่องและความต้องการอุปกรณ์ประหยัดพลังงานเพิ่มขึ้น ตลาดซับสเตรต SiC คาดว่าจะขยายตัวอย่างมาก ในอนาคต ซับสเตรต SiC จะมีความสำคัญมากขึ้นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง

ความท้าทายและการพัฒนาในอนาคต

• การควบคุมต้นทุน: ต้นทุนการผลิตซับสเตรต SiC ยังคงค่อนข้างสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับซับสเตรตที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิตอย่างต่อเนื่องมีความจำเป็นเพื่อให้ต้นทุนลดลงและเพิ่มการเข้าถึงอุปกรณ์ที่ใช้ SiC

• ความสามารถในการปรับขนาด: ในขณะที่ซับสเตรต SiC ถูกนำมาใช้แล้วในการใช้งานมากมาย การปรับขนาดการผลิตเพื่อตอบสนองความต้องการของโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับซับสเตรตขนาดใหญ่ ยังคงเป็นความท้าทาย ความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในเทคนิคการเติบโตของซับสเตรตและวิธีการผลิตมีความสำคัญอย่างยิ่งในการแก้ไขปัญหานี้

• ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี: เมื่อเทคโนโลยี SiC เติบโตขึ้น จะมีการปรับปรุงคุณภาพของซับสเตรต อัตราผลผลิต และประสิทธิภาพของอุปกรณ์ การพัฒนาใหม่ๆ จะขยายการใช้ซับสเตรต SiC ไปยังอุตสาหกรรมและการใช้งานเพิ่มเติม ซึ่งจะช่วยขับเคลื่อนการนำไปใช้ในตลาดต่อไป