ไฟ LED ที่ใช้แกลเลียมไนไตรด์สามารถลดปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ทั่วโลกได้อย่างมาก และในอีกสิบปีข้างหน้า คาดการณ์ว่าการประหยัดดังกล่าวอาจสูงถึง 46%
แต่ในเรื่องปริมาณการใช้ไฟฟ้าก็มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อีกประเภทหนึ่ง เทคโนโลยี ที่สามารถพิสูจน์ได้ว่ามีคุณค่ามากยิ่งขึ้นในการขับเคลื่อนที่สำคัญในการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนทั่วโลก และนั่นคือการแปลงพลังงาน
นอกเหนือจากการเพิ่มขึ้นของ GaN ในด้านระบบแสงสว่างแล้ว ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน การนำ GaN และ SiC มาใช้จำเป็นต้องมีแนวทางที่เป็นนวัตกรรมในการจัดการความสามารถด้านพลังงานที่เพิ่มขึ้น การพัฒนาเทคโนโลยีฮีทซิงค์ล่าสุดมีความโดดเด่นเป็นพิเศษ โดยมีบทบาทสำคัญในการรักษาประสิทธิภาพการระบายความร้อนของอุปกรณ์กำลังสูง และรับประกันความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพในการใช้งานต่างๆ
คนส่วนใหญ่ไม่ทราบแน่ชัดว่าเทคโนโลยีการแปลงพลังงานส่งผลต่อพวกเขาอย่างไร แต่กระบวนการนี้เกิดขึ้นหลายล้านล้านครั้งต่อวันทั่วโลก และทำให้ทุกอย่างตั้งแต่โทรศัพท์มือถือ ยานพาหนะไฟฟ้า ไปจนถึงระบบการแพทย์และอุตสาหกรรมสามารถทำงานได้ ในความเป็นจริงการใช้งานใด ๆ ที่กระแสไฟฟ้าสลับจะต้องแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสตรงหรือตรงกันข้าม และเนื่องจากความไร้ประสิทธิภาพในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และระบบที่ทำให้เกิดกระบวนการนี้ พลังงานจำนวนมหาศาลของโลกจึงสูญเปล่าในแต่ละวัน
เทคโนโลยีใหม่ในการแปลงพลังงาน
ในการผลิต GaN และ SiC การเลือกซับสเตรตเป็นสิ่งสำคัญ ในขณะที่ GaN-on-silicon ใช้ประโยชน์จากโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่ และโดยทั่วไปจะถูกจำกัดไว้ที่ 650V การเกิดขึ้นของเทคโนโลยี GaN-on-Qromis-substrate-technology (QST) ช่วยให้ชั้น epitaxis หนาขึ้น นวัตกรรมนี้ช่วยให้สามารถทำงานได้ที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น ซึ่งอาจสูงถึง 1,200V หรือมากกว่า ซึ่งจะเป็นการขยายขอบเขตของ GaN และ SiC ในการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าแรงสูง
เป็นเรื่องที่ยุติธรรมที่จะกล่าวว่ามีความก้าวหน้าทางอิเล็กทรอนิกส์อย่างมากในการลดความไร้ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานดังกล่าว เนื่องจากการสร้างและการใช้งานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังต่างๆ
ผลกระทบของเทคโนโลยี GaN ขยายไปไกลกว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังแบบเดิม ซึ่งมีอิทธิพลอย่างมากต่อระบบพลังงานหมุนเวียน อุปกรณ์ GaN เป็นที่รู้จักในด้านประสิทธิภาพสูง สามารถลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ของระบบ เช่น แผงโซลาร์เซลล์และฟาร์มกังหันลมได้อย่างมาก ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดโซลูชันพลังงานที่ยั่งยืนและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น ซึ่งสอดคล้องกับความพยายามในการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมทั่วโลก
ผู้เล่นหลักในเรื่องนี้คือทรานซิสเตอร์สองขั้วเกตแบบหุ้มฉนวน (IGBT). อุปกรณ์นี้รองรับการออกแบบการแปลงพลังงานได้เป็นอย่างดี และจะยังคงทำเช่นนั้นต่อไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับแอปพลิเคชันรุ่นเก่า แต่ในระยะยาว แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ขั้นสูง สารกึ่งตัวนำ อุปกรณ์จะเป็นหนทางข้างหน้า
การเปลี่ยนไปใช้เวเฟอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้นในการผลิต GaN และ SiC นำมาซึ่งความท้าทายหลายประการ การจัดการความเครียดและการปรับเทคโนโลยีที่มีอยู่สำหรับเวเฟอร์ขนาดใหญ่ถือเป็นอุปสรรคสำคัญ การเปลี่ยนแปลงเชิงกลยุทธ์ไปสู่โรงงานขนาด 8 นิ้วมีจุดมุ่งหมายเพื่อใช้ประโยชน์จากเวเฟอร์ขนาดใหญ่ แต่เกี่ยวข้องกับกระบวนการพัฒนาที่ซับซ้อนและพิถีพิถัน โดยเน้นย้ำถึงลักษณะที่ซับซ้อนของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ในขอบเขตของวัสดุขั้นสูง เช่น GaN และ SiC
ปัจจัยช่องว่างวงดนตรี
ทั้ง GaN และ SiC อยู่ในประเภทอุปกรณ์ที่เรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์แบบแถบความถี่กว้าง bandgap ของเซมิคอนดักเตอร์ถูกกำหนดให้เป็นพลังงานซึ่งมีหน่วยเป็นโวลต์ของอิเล็กตรอน ซึ่งจำเป็นสำหรับอิเล็กตรอนที่จะกระโดดจากแถบเวเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้า แถบวาเลนซ์เป็นเพียงวงโคจรอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดของอะตอมของวัสดุเฉพาะใดๆ ที่อิเล็กตรอนครอบครอง
ความแตกต่างของพลังงานระหว่างสถานะพลังงานที่ถูกครอบครองสูงสุดของแถบวาเลนซ์และสถานะว่างต่ำสุดของแถบการนำไฟฟ้าเรียกว่าช่องว่างของแถบและเป็นตัวบ่งชี้การนำไฟฟ้าของวัสดุ ช่องว่างแถบความถี่ขนาดใหญ่หมายความว่าต้องใช้พลังงานจำนวนมากในการกระตุ้นเวเลนซ์อิเล็กตรอนไปยังแถบการนำไฟฟ้า ในทางกลับกัน เมื่อแถบเวเลนซ์และแถบการนำไฟฟ้าทับซ้อนกันเช่นเดียวกับในโลหะ อิเล็กตรอนสามารถกระโดดไปมาระหว่างสองแถบได้อย่างง่ายดาย ซึ่งหมายความว่าวัสดุนี้จัดอยู่ในประเภทที่มีความนำไฟฟ้าสูง
ความแตกต่างระหว่างตัวนำ ฉนวน และเซมิคอนดักเตอร์สามารถแสดงได้ด้วยช่องว่างของแถบความถี่ของพวกมัน ฉนวนมีลักษณะพิเศษคือช่องว่างแถบความถี่ขนาดใหญ่ ดังนั้นจึงต้องใช้พลังงานจำนวนมากในการเคลื่อนอิเล็กตรอนออกจากแถบเวเลนซ์เพื่อสร้างกระแส ตัวนำมีการทับซ้อนกันระหว่างแถบการนำและเวเลนซ์ ดังนั้นเวเลนซ์อิเล็กตรอนในตัวนำดังกล่าวจึงเป็นอิสระ
อย่างไรก็ตาม เซมิคอนดักเตอร์มีช่องว่างแถบความถี่เล็กๆ ที่ทำให้เวเลนซ์อิเล็กตรอนของวัสดุจำนวนเล็กน้อยเคลื่อนเข้าสู่แถบการนำไฟฟ้าได้ คุณสมบัตินี้ทำให้มีค่าการนำไฟฟ้าระหว่างตัวนำและฉนวน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของเหตุผลว่าทำไมจึงเหมาะสำหรับวงจร เนื่องจากจะไม่ทำให้เกิดการลัดวงจรเหมือนตัวนำ
ทั้งอุปกรณ์ GaN และ SiC ได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพมหาศาลในการเพิ่มประสิทธิภาพในการแปลงพลังงาน และช่วยประหยัดไฟฟ้าได้อย่างมาก
เทคโนโลยีทั้งสองนี้มีข้อได้เปรียบเหนือสิ่งอื่น และเมื่อพิจารณาสิ่งเหล่านี้แล้ว ดูเหมือนว่าทั้งสองจะพบจุดที่มีคุณค่าในการแปลงพลังงาน แต่มีความแตกต่างอะไรบ้าง?
ปัจจัยเปิดที่ล้มเหลว
ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กเอฟเฟกต์เซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์ (MOSFET) ที่ใช้ SiC มีข้อดีตรงที่เป็นอุปกรณ์เปิดเมื่อเกิดข้อผิดพลาด
ซึ่งหมายความว่าหากวงจรล้มเหลว อุปกรณ์จะหยุดการนำกระแสไฟฟ้า ซึ่งช่วยลดโอกาสที่ความล้มเหลวอาจนำไปสู่การลัดวงจรและอาจทำให้เกิดเพลิงไหม้หรือการระเบิดได้ อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติที่สำคัญและมีประโยชน์ในบางครั้งนี้หมายความว่าอิเล็กตรอนของมันไม่เคลื่อนที่เร็วนัก และน่าเสียดายที่สิ่งนี้เพิ่มความต้านทาน ซึ่งเป็นศัตรูหลักของการแปลงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ
ป้อนอุปกรณ์ที่ใช้ GaN ซึ่งมีความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูง ทรานซิสเตอร์ GaN นั้นแตกต่างกันเนื่องจากกระแสไฟฟ้าส่วนใหญ่ที่ไหลผ่านอุปกรณ์นั้นเกิดจากความเร็วของอิเล็กตรอนมากกว่าปริมาณประจุ ซึ่งหมายความว่าต้องชาร์จเข้าอุปกรณ์เพื่อเปิดหรือปิดเครื่อง ซึ่งจะตัดพลังงานที่จำเป็นสำหรับแต่ละรอบการสวิตชิ่งและให้การดำเนินการแปลงพลังงานมีประสิทธิภาพมากขึ้น
แต่แทนที่จะมองว่าเทคโนโลยีใดเทคโนโลยีหนึ่งเป็นผู้ชนะ ต้องจำไว้ว่าบางครั้งลักษณะการทำงานที่แตกต่างกันและข้อดีที่ตามมาของทั้ง GaN และ SiC ก็อาจเป็นประโยชน์ในการใช้งานบางอย่างได้
มาดูผู้ผลิตรถยนต์และตัวเลือกของพวกเขาเมื่อพูดถึงการตัดสินใจเรื่อง Bandgap ที่กว้างซึ่งสัมพันธ์กับการออกแบบรถยนต์ไฟฟ้า (EV) และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง งานที่อินเวอร์เตอร์ของยานพาหนะทำ ซึ่งก็คือการแปลงพลังงานโดยพื้นฐาน
EV จำเป็นต้องมีอินเวอร์เตอร์เพื่อแปลงกระแส DC จากแบตเตอรี่ลิเธียมเป็นกระแส AC ที่มอเตอร์ไฟฟ้าของรถยนต์สามารถใช้ได้ ซัพพลายเออร์อุปกรณ์ SiC คือตัวเลือกของ Elon Musk สำหรับรถยนต์ Tesla ของเขา และตอนนี้ผู้ผลิตรถยนต์สัญชาติจีน BYD, Toyota, Hyundai และ Mercedes ก็ได้ปฏิบัติตามแล้ว
อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ SiC ไม่มีวิธีของตัวเองทั้งหมดเมื่อพูดถึงผู้ผลิตรถยนต์
ความเร็วในการสลับที่สูงขึ้นที่เป็นไปได้ด้วย GaN เป็นข้อได้เปรียบที่ทรงพลังในอินเวอร์เตอร์ EV เนื่องจากใช้การสลับอย่างหนัก ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยการสลับจากเปิดเป็นปิดอย่างรวดเร็ว เพื่อลดเวลาที่อุปกรณ์กักไฟฟ้าแรงสูงและจ่ายกระแสไฟสูง
นอกจากอินเวอร์เตอร์แล้ว โดยทั่วไปแล้ว EV ยังมีที่ชาร์จในตัว ซึ่งช่วยให้ยานพาหนะสามารถชาร์จจากกระแสไฟฟ้าหลักโดยการแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง อีกครั้ง GaN มีเสน่ห์มาก
ความท้าทายหลายประการมาพร้อมกับการใช้ SiC ในการใช้งานด้านยานยนต์ วัสดุพิมพ์ SiC ไม่ได้มีราคาถูกและมีต้นทุนเกือบ 50% ของค่าวัสดุในการผลิตอุปกรณ์ นอกจากนี้ SiC ยังเป็นกระบวนการผลิตที่ให้ผลตอบแทนต่ำ และเวเฟอร์มีความโปร่งใส ทำให้ต้องใช้อุปกรณ์มาตรวิทยาที่มีราคาแพงในการตรวจสอบกระบวนการ
การสร้างอุปกรณ์ SiC นั้นยากกว่าการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ Si และความแข็งของ SiC ทำให้กระบวนการแกะสลักและเกทออกไซด์ทำได้ยาก
เมื่อพูดถึงการผลิตยานยนต์ ผู้ผลิตรถยนต์จำเป็นต้องมีผลิตภัณฑ์ที่จัดหาในปริมาณมากเพื่อให้สายการผลิตดำเนินต่อไปได้ และที่นี่ อุปทานของ SiC มีจำกัด ซึ่งเป็นอุปสรรคอีกประการหนึ่งต่อการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์
เมื่อเปรียบเทียบกับ SiC แล้ว GaN จะเติบโตบนพื้นผิว Si ที่มีราคาถูกกว่า อย่างไรก็ตาม พวกเขาจำเป็นต้องมีขนาดแม่พิมพ์ที่ใหญ่กว่าสำหรับการใช้งานที่มีกระแสไฟสูงเมื่อเทียบกับ SiC
องค์ประกอบความน่าเชื่อถือ ความหวาดระแวง
การใช้ซับสเตรต Si บางครั้งอาจทำให้เกิดปัญหา เช่น lattice mismatch และ dislocations ซึ่งในทางกลับกันทำให้เกิดการรั่วไหลของกระแสเกตและความน่าเชื่อถือลดลง และผู้ผลิตรถยนต์ก็หวาดระแวงเกี่ยวกับความน่าเชื่อถือของส่วนประกอบ เนื่องจากความล้มเหลวในการดำเนินงานทำให้การคืนการรับประกันรถยนต์เพิ่มขึ้น และต่อมากัดชิ้นส่วนของผู้ผลิตรถยนต์ ผลกำไร
เป็นที่ยอมรับว่าปัญหาเหล่านี้กับ GaN สามารถแก้ไขได้ง่ายด้วยชั้น epitaxy ที่หนาขึ้น แต่ในทางกลับกัน จะเพิ่มต้นทุนส่วนประกอบโดยรวม และอีกครั้งที่ผู้ผลิตรถยนต์ให้ความสำคัญกับต้นทุนมากเกินไปเมื่อพูดถึงราคาของส่วนประกอบที่ให้มา .
การสร้างอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานในยานยนต์จะต้องคำนึงถึงอุณหภูมิเสมอ และเนื่องจาก GaN เติบโตบนสารตั้งต้น Si การนำความร้อนจึงขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของสารตั้งต้น Si
GaN มีข้อจำกัดสำหรับการใช้งานในยานยนต์กำลังสูง (มากกว่า 10 kW) และเป็นที่ต้องการสำหรับอุปกรณ์ที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 600V แต่มีศักยภาพในการเข้าสู่ตลาดอินเวอร์เตอร์ด้วยโทโพโลยีพลังงานหลายระดับ เนื่องจากผู้ผลิตรถยนต์ต้องการพลังงานที่เพิ่มมากขึ้นสำหรับคุณสมบัติต่างๆ เช่น ระบบอินโฟเทนเมนต์ การสื่อสารที่รวดเร็ว กล้อง และเรดาร์ ระบบ 48V จึงมีความสนใจเพิ่มมากขึ้น ในด้านนี้ GaN มีความเหมาะสมเนื่องจากมีการแข่งขันด้านต้นทุน
อนาคตในอนาคตใน Power Electronics
ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ GaN ช่วยให้ประหยัดต้นทุนระดับระบบได้ ต้นทุนอุปกรณ์และระบบขึ้นอยู่กับต้นทุนซับสเตรต การผลิตแผ่นเวเฟอร์ บรรจุภัณฑ์ และผลผลิตโดยรวมในกระบวนการผลิต
SiC และ GaN รองรับความต้องการแรงดันไฟฟ้า กำลังไฟ และการใช้งานที่แตกต่างกัน SiC จัดการระดับแรงดันไฟฟ้าได้สูงถึง 1,200V พร้อมความสามารถในการจ่ายกระแสไฟฟ้าสูง ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในอินเวอร์เตอร์ในรถยนต์และโซลาร์ฟาร์ม
อีกทางหนึ่ง เนื่องจากความสามารถในการสลับที่ความถี่สูงและข้อได้เปรียบด้านต้นทุน GaN จึงกลายเป็นอุปกรณ์ตัวเลือกสำหรับนักออกแบบจำนวนมากในแอปพลิเคชันขนาด <10 กิโลวัตต์
ดังนั้นนี่เป็นเพียงความแตกต่างในการดำเนินงานบางส่วนระหว่างเทคโนโลยี bandgap ทั้งสอง และการตอบคำถามพาดหัวซึ่งจะเป็นผู้ชนะโดยรวมนั้นเป็นไปไม่ได้ในขั้นตอนนี้ เนื่องจากทั้งสองมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องในแง่ของประสิทธิภาพ
เมื่อมองไปในอนาคต อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์กำลังกำลังจับตาดูวัสดุเกิดใหม่ เช่น แกลเลียมออกไซด์ (Ga2O3) ในขณะที่ Ga2O3 มีศักยภาพที่น่าหวัง แต่การยอมรับจะค่อยเป็นค่อยไป โดยคำนึงถึงลักษณะอนุรักษ์นิยมของอุตสาหกรรม การยอมรับอย่างกว้างขวางและการประยุกต์ใช้วัสดุใหม่เหล่านี้ในสถานการณ์พลังงานสูงจะขึ้นอยู่กับความสามารถในการสร้างประวัติที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว
เมื่อพูดถึง GaN มีความสามารถในการสวิตชิ่งที่รวดเร็วมากในขณะเดียวกันก็ทำงานที่อุณหภูมิสูงไปด้วย นอกจากนี้ยังมีข้อได้เปรียบด้านขนาด ถือว่ามีการปล่อยก๊าซคาร์บอนต่ำ และมีความสมเหตุสมผลมากในแง่ของต้นทุนการผลิต
จากมุมมองของ SiC สิ่งต่างๆ กำลังดูดีสำหรับผู้ผลิตอุปกรณ์เหล่านี้เมื่อพูดถึงตลาดรถยนต์ไฟฟ้า
ตามที่บริษัทที่ปรึกษา McKinsey ระบุว่า รถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ 800V (BEV) มีแนวโน้มที่จะใช้อินเวอร์เตอร์ที่ใช้ SiC มากที่สุด เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูง และคาดว่าภายในสิ้นทศวรรษ BEV จะคิดเป็น 75% ของรถยนต์ไฟฟ้า ตลาด.
นอกเหนือจากความแตกต่างทางเทคนิคระหว่างเทคโนโลยีทั้งสองแล้ว นักวิเคราะห์และผู้เชี่ยวชาญพูดอะไรเกี่ยวกับว่าพวกเขาจะขายได้ดีแค่ไหนในทศวรรษที่เหลือนี้
เมื่อพิจารณาโดยเฉลี่ยจากมุมมองผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมแล้ว ดูเหมือนว่า SiC จะทำได้ดี และยอดขายจะมีอัตราการเติบโตต่อปี (CAGR) ที่ 29% และแตะตัวเลขทั่วโลกที่ 12 พันล้านยูโรภายในปี 2030
ภาพรวมทางการเงินดูสดใสพอๆ กับยอดขายอุปกรณ์ GaN แม้ว่าตัวเลข CAGR ในหมู่นักวิเคราะห์ตลาดมีแนวโน้มที่จะมีความหลากหลายมากขึ้น แต่ตัวเลขเฉลี่ยโดยรวมก็อยู่ที่ 26% และยอดขายน่าจะสูงถึงประมาณ 10 หมื่นล้านยูโรภายในปี 2030
ดังนั้น ในแง่ของความสามารถทางเทคนิค ความคล่องตัวในการใช้งาน และความสามารถในการสร้างรายได้มหาศาลให้กับบริษัทเซมิคอนดักเตอร์ ไม่มีอะไรที่จะแยก GaN และ Sic ได้มากนัก และบางทีหากในที่สุดจะต้องมีผู้ชนะในการแข่งขัน bandgap ในที่สุด มันก็จะ ขึ้นอยู่กับว่าใครสามารถสาธิตเทคโนโลยีที่ก่อกวนได้มากที่สุด