إن الدفع المتواصل لتحقيق كفاءة أكبر في استخدام الطاقة، وكثافة طاقة أعلى، واتصال أسرع، يقود إلى تحول أساسي في صناعة أشباه الموصلات. بينما يستمر السيليكون في التطور، فإن أشباه الموصلات المركبة مثل كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN)-التي غالبًا ما يتم زراعتها على ركائز مثل SiC أو الياقوت- تنتقل من التخصص إلى الاتجاه السائد. تستكشف هذه المقالة محركات السوق والتطبيقات التحويلية التي تغذي اعتماد مواد الرقائق المتقدمة هذه.
1. ثورة المركبات الكهربائية: مبنية على كربيد السيليكون
ربما يكون تحول صناعة السيارات إلى الكهرباء هو المحرك الأكبر للطلب على رقائق SiC. توجد وحدات الطاقة SiC في قلب عاكس الجر، حيث تقوم بتحويل طاقة البطارية DC إلى تيار متردد للمحرك. مقارنةً بوحدات IGBTs المصنوعة من السيليكون، تعمل وحدات SiC MOSFETs على تقليل خسائر تحويل العاكس بنسبة تصل إلى 70%، مما يتيح ما يلي:
نطاق قيادة ممتد (تحسن بنسبة 5-10%) من نفس حزمة البطارية.
شحن أسرع بسبب التشغيل عالي التردد للشواحن الموجودة على متن الطائرة.
تقليل حجم ووزن أنظمة الإدارة الحرارية.
مع توسع إنتاج السيارات الكهربائية، يتزايد الطلب على الرقاقات-عالية الجودة والخالية من العيوب-من النوع 4H-N من SiC بشكل كبير، مما يدفع الموردين إلى زيادة إنتاج 6 بوصات و8 بوصات.
2. تمكين تحول الطاقة الخضراء
تعتمد أنظمة الطاقة المتجددة بشكل كبير على تحويل الطاقة بكفاءة. أصبحت SiC حاسمة في:
محولات الطاقة الشمسية: تعظيم حصاد الطاقة عن طريق تقليل خسائر التحويل من الألواح الكهروضوئية إلى الشبكة.
محولات توربينات الرياح: التعامل مع مستويات الطاقة العالية في مساحات الكنة المدمجة.
أنظمة تخزين الطاقة (ESS): تمكين التدفق الفعال ثنائي الاتجاه بين الشبكة والبطاريات والمستهلكين.
إن قوة وكفاءة أجهزة SiC تترجم مباشرة إلى تكلفة منخفضة للطاقة (LCOE)، مما يؤدي إلى تسريع الجهود العالمية لإزالة الكربون.
3. البنية التحتية لشبكات الجيل الخامس وما بعدها، مدعومة بـ GaAs وGaN
يتطلب طرح 5G والتخطيط لـ 6G مكونات الترددات اللاسلكية التي تعمل بترددات موجية ملليمترية - مع خطية عالية وكفاءة في استهلاك الطاقة. هذا هو مجال GaAs وGaN-على-SiC.
يظل GaAs هو المهيمن على-مكبرات الصوت منخفضة الضوضاء (LNAs) والمفاتيح في هوائيات الهواتف الذكية ومسارات استقبال المحطة الأساسية نظرًا لأدائها الممتاز في مجال الضوضاء.
GaN-on-SiC هي التقنية الرائدة لمضخمات الطاقة (PAs) في أجهزة إرسال المحطات الأساسية الكلية. تعمل الموصلية الحرارية الفائقة لـ SiC على تبديد الحرارة بشكل فعال من طبقة GaN{3}} ذات الطاقة العالية، مما يسمح بنقل إشارة أكثر قوة وموثوقية عبر مسافات أطول.
4. البطل المجهول: ركائز متخصصة لعالم متصل
بالإضافة إلى الطاقة والترددات اللاسلكية، تعمل الرقائق المتخصصة على تمكين التقنيات الحديثة الرئيسية:
تعتبر ركائز الياقوت ضرورية لتصنيع مصابيح LED الزرقاء والبيضاء المستندة إلى GaN-والتي تهيمن على الإضاءة العامة وإضاءة السيارات. كما أنها ضرورية لمرشحات الترددات اللاسلكية في الهواتف الذكية.
لا غنى عن رقائق زجاج السيليكا والبوروفلوات المنصهرة في أجهزة استشعار MEMS، والرقائق الحيوية، والتغليف المتقدم (على سبيل المثال، أجهزة التدخل)، حيث تكون هندستها الدقيقة، وثباتها الحراري، وخصائصها العازلة مطلوبة.
الآثار الاستراتيجية لمصنعي الأجهزة
بالنسبة للشركات التي تعمل على تطوير منتجات-الجيل القادم، يعد التعامل مع أحد موردي الرقائق الذي يمتلك محفظة -متطلعة للمستقبل أمرًا ضروريًا استراتيجيًا. إن القدرة على توفير ليس فقط السيليكون، ولكن أيضًا موثوقة وذات مواصفات -رقائق SiC وGaAs ورقائق الياقوت من شريك واحد مطلع، تقلل من وقت التأهيل ومخاطر سلسلة التوريد. يوفر الموردون الذين يقدمون خدمات -قيمة مضافة ذات صلة-مثل النمو الفوقي (GaN، SOS)، وترسيب الأفلام، والتقطيع الدقيق إلى مكعبات-ميزة أكبر من خلال تقديم-رقائق epi-شبه نهائية أو قطع-ذات حجم مخصص، مما يؤدي إلى تسريع الوقت-لتسويق-الأجهزة المتطورة-في هذه قطاعات-عالية النمو.