Các đế bán dẫn cách điện bán dẫn cacbua silic (SiC) có độ tinh khiết cao là vật liệu chuyên dụng được làm từ cacbua silic, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất thiết bị điện tử công suất, thiết bị tần số vô tuyến (RF) và các linh kiện bán dẫn tần số cao, nhiệt độ cao. Cacbua silic, là một vật liệu bán dẫn có dải năng lượng rộng, mang lại các đặc tính điện, nhiệt và cơ học tuyệt vời, khiến nó rất phù hợp cho các ứng dụng trong môi trường điện áp cao, tần số cao và nhiệt độ cao.

Dưới đây là phần giới thiệu chi tiết về các đế SiC bán dẫn cách điện có độ tinh khiết cao:

Đặc tính vật liệu của  Cacbua silic bán dẫn cách điện (SiC)

• Đặc tính bán dẫn cách điện: Các đế SiC bán dẫn cách điện có độ tinh khiết cao được chế tạo thông qua các kỹ thuật pha tạp chính xác, dẫn đến độ dẫn điện rất thấp, mang lại cho chúng điện trở suất cao ở nhiệt độ phòng. Đặc tính bán dẫn cách điện này cho phép chúng cách ly hiệu quả các vùng khác nhau trong các ứng dụng điện tử, giảm thiểu nhiễu điện và làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các thiết bị điện áp cao, tần số cao và công suất cao.

• Độ dẫn nhiệt cao: Cacbua silic có độ dẫn nhiệt khoảng 4,9 W/cm·K, cao hơn nhiều so với silicon, cho phép tản nhiệt tốt hơn. Điều này rất quan trọng đối với các thiết bị công suất hoạt động ở mật độ công suất cao, giảm nguy cơ thiết bị bị hỏng do quá nhiệt.

• Dải năng lượng rộng: SiC có dải năng lượng rộng 3,26 eV, so với 1,1 eV của silicon, giúp nó có khả năng xử lý điện áp và dòng điện cao hơn, đồng thời có thể hoạt động ở tần số cao và công suất cao. Điều này cho phép các thiết bị SiC hoạt động trong môi trường mà các thiết bị dựa trên silicon thông thường thường sẽ bị hỏng.

• Tính ổn định hóa học: SiC thể hiện tính ổn định hóa học tuyệt vời, giúp nó chống lại môi trường nhiệt độ cao, độ ẩm cao và axit-bazơ, do đó tăng cường tuổi thọ của các linh kiện trong điều kiện khắc nghiệt.

• Độ bền cơ học cao: SiC được biết đến với độ cứng và độ bền cơ học cao, giúp nó có khả năng chống lại hư hỏng vật lý. Đặc tính này làm cho nó phù hợp với các ứng dụng công suất cao, nơi độ bền cơ học là rất quan trọng.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

• Thiết bị điện tử công suất: Do khả năng chịu nhiệt độ cao và điện áp cao tuyệt vời, các đế SiC bán dẫn cách điện có độ tinh khiết cao được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị bán dẫn công suất như MOSFET (Transistor hiệu ứng trường kim loại-oxit-bán dẫn), IGBT (Transistor lưỡng cực cổng cách điện), SBD (Điốt rào Schottky), v.v. Các thiết bị này thường được tìm thấy trong các hệ thống chuyển đổi điện, xe điện, bộ biến tần, hệ thống năng lượng mặt trời và hơn thế nữa.

​

• Thiết bị tần số vô tuyến (RF): Đế SiC lý tưởng cho các ứng dụng tần số cao, công suất cao như bộ khuếch đại RF, hệ thống radar và thiết bị truyền thông, mang lại khả năng xử lý tín hiệu mạnh mẽ và ổn định.

​

• Các ứng dụng nhiệt độ cao và áp suất cao: Độ bền của SiC cho phép nó hoạt động tốt trong môi trường khắc nghiệt, bao gồm hàng không vũ trụ, ô tô và các ứng dụng quân sự, nơi nhiệt độ cao, áp suất cao và công suất cao chiếm ưu thế.

​

• Thiết bị quang điện: Đế SiC được sử dụng trong các máy dò ánh sáng cực tím, laser và các thiết bị quang điện khác do phản ứng mạnh của chúng với ánh sáng cực tím, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng giám sát môi trường, quân sự và y tế.

​

• Xe điện (EV) và Xe năng lượng mới: Khi xe điện tiếp tục phát triển, các đế SiC bán dẫn cách điện có độ tinh khiết cao đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong các hệ thống quản lý pin, hệ thống chuyển đổi điện và các ứng dụng công suất cao khác trong ngành công nghiệp ô tô.

Ưu điểm

• Hiệu quả cao và tổn thất thấp: Đế SiC bán dẫn cách điện có độ tinh khiết cao mang lại tổn thất dẫn điện thấp và khả năng xử lý dòng điện cao, cải thiện hiệu quả của các thiết bị công suất và giảm lãng phí năng lượng, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng công suất cao.

• Phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng: Các thiết bị SiC có thể hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao hơn so với các thiết bị silicon, điều này rất quan trọng để duy trì hiệu suất ổn định trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt.

• Độ bền và độ tin cậy: Đế SiC có khả năng chống chịu cao với nhiệt độ cao, ăn mòn và mài mòn, góp phần vào sự ổn định và độ tin cậy lâu dài của các thiết bị sử dụng chúng. Điều này làm cho chúng đặc biệt có giá trị trong các ứng dụng quan trọng trong nhiệm vụ mà việc hỏng hóc là không thể chấp nhận được.

Quy trình sản xuất

• Tăng trưởng tinh thể: Đế SiC bán dẫn cách điện có độ tinh khiết cao được phát triển bằng các phương pháp như Tạo lắng đọng hơi hóa học (CVD) hoặc Vận chuyển hơi vật lý (PVT), đảm bảo các tinh thể chất lượng cao với ít khuyết tật để đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của các thiết bị bán dẫn công suất.

• Kiểm soát pha tạp: Các kỹ thuật pha tạp (ví dụ: pha tạp nhôm hoặc nitơ) được kiểm soát cẩn thận để đạt được các đặc tính bán dẫn cách điện mong muốn, với các điều chỉnh chính xác về điện trở suất và các đặc tính điện. Quy trình này đòi hỏi công nghệ tiên tiến và kiểm soát quy trình chặt chẽ để đảm bảo hiệu suất đế tối ưu.

• Xử lý bề mặt: Sau khi phát triển, các đế SiC trải qua quá trình đánh bóng và làm sạch bề mặt nghiêm ngặt để loại bỏ các khuyết tật và giảm mật độ điện tích bề mặt, tăng cường hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị cuối cùng.

Triển vọng thị trường

Nhu cầu về đế SiC bán dẫn cách điện có độ tinh khiết cao đang tăng đều đặn do việc ngày càng có nhiều xe điện, lưới điện thông minh, năng lượng tái tạo (như năng lượng mặt trời và gió) và thiết bị điện tử công suất hiệu quả cao. Khi các kỹ thuật sản xuất đế SiC tiếp tục được cải thiện và nhu cầu về các thiết bị tiết kiệm điện tăng lên, thị trường đế SiC dự kiến sẽ mở rộng đáng kể. Trong tương lai, đế SiC sẽ ngày càng trở nên quan trọng trong thiết bị điện tử công suất và các công nghệ liên quan.

Thách thức và phát triển trong tương lai

• Kiểm soát chi phí: Chi phí sản xuất đế SiC vẫn còn tương đối cao, đặc biệt là đối với các đế đường kính lớn. Việc tối ưu hóa liên tục các quy trình sản xuất sẽ rất cần thiết để giảm chi phí và tăng khả năng tiếp cận các thiết bị dựa trên SiC.

• Khả năng mở rộng: Mặc dù đế SiC đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng, nhưng việc mở rộng sản xuất để đáp ứng nhu cầu toàn cầu, đặc biệt là đối với các đế lớn hơn, vẫn là một thách thức. Những tiến bộ liên tục trong các kỹ thuật phát triển đế và phương pháp sản xuất sẽ rất quan trọng để giải quyết vấn đề này.

• Tiến bộ công nghệ: Khi các công nghệ SiC trưởng thành, sẽ có những cải tiến về chất lượng đế, tỷ lệ sản lượng và hiệu suất thiết bị. Những phát triển mới sẽ mở rộng việc sử dụng đế SiC sang các ngành và ứng dụng bổ sung, thúc đẩy hơn nữa việc áp dụng thị trường của chúng.