วัสดุเซมิคอนดักเตอร์มีวิวัฒนาการผ่าน 3 ยุคการเปลี่ยนแปลง:
รุ่นที่ 1 (Si/Ge) วางรากฐานของระบบอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่
รุ่นที่ 2 (GaAs/InP) ทำลายกำแพงออปโตอิเล็กทรอนิกส์และความถี่สูงเพื่อขับเคลื่อนการปฏิวัติข้อมูล
3rd Gen (SiC/GaN) ตอบโจทย์ความท้าทายด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อมที่รุนแรง ช่วยให้เกิดความเป็นกลางทางคาร์บอนและยุค 6G
ความก้าวหน้าครั้งนี้เผยให้เห็นการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่จากความหลากหลายไปสู่การเชี่ยวชาญด้านวิทยาศาสตร์วัสดุ
1. เซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรก: ซิลิกอน (Si) และเจอร์เมเนียม (Ge)
ภูมิหลังทางประวัติศาสตร์
ในปี 1947 ห้องปฏิบัติการเบลล์ได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียม ซึ่งถือเป็นจุดเริ่มต้นของยุคเซมิคอนดักเตอร์ ภายในช่วงทศวรรษปี 1950 ซิลิคอนค่อยๆ เข้ามาแทนที่เจอร์เมเนียมในฐานะพื้นฐานของวงจรรวม (IC) เนื่องจากมีชั้นออกไซด์ที่เสถียร (SiO2) และมีแหล่งสำรองธรรมชาติมากมาย
คุณสมบัติของวัสดุ
Ⅰแบนด์แก๊ป:
เจอร์เมเนียม: 0.67eV (แบนด์แก๊ปแคบ มีแนวโน้มที่จะเกิดกระแสรั่วไหล ประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูงไม่ดี)
ซิลิกอน: 1.12eV (แบนด์แก๊ปทางอ้อม เหมาะสำหรับวงจรตรรกะแต่ไม่สามารถเปล่งแสงได้)
Ⅱ、ข้อดีของซิลิกอน:
สร้างออกไซด์คุณภาพสูง (SiO₂) ตามธรรมชาติ ทำให้สามารถผลิต MOSFET ได้
ต้นทุนต่ำและมีปริมาณดินอุดมสมบูรณ์ (~28% ขององค์ประกอบเปลือกโลก)
Ⅲ、ข้อจำกัด:
ความคล่องตัวของอิเล็กตรอนต่ำ (เพียง 1,500 ซม.²/(V·s)) ซึ่งจำกัดประสิทธิภาพความถี่สูง
ทนต่อแรงดันไฟฟ้า/อุณหภูมิอ่อน (อุณหภูมิในการทำงานสูงสุด ~150°C)
แอปพลิเคชันที่สำคัญ
อันดับ 1、วงจรรวม (IC) :
CPU, ชิปหน่วยความจำ (เช่น DRAM, NAND) อาศัยซิลิกอนเพื่อความหนาแน่นการรวมสูง
ตัวอย่าง: Intel 4004 (พ.ศ. 2514) ซึ่งเป็นไมโครโปรเซสเซอร์เชิงพาณิชย์ตัวแรก ใช้เทคโนโลยีซิลิกอน 10μm
Ⅱ、อุปกรณ์ไฟฟ้า:
ไทริสเตอร์และ MOSFET แรงดันต่ำรุ่นแรกๆ (เช่น แหล่งจ่ายไฟพีซี) เป็นแบบซิลิกอน
ความท้าทายและความล้าสมัย
เจอร์เมเนียมถูกยกเลิกการผลิตเนื่องจากการรั่วไหลและความไม่เสถียรทางความร้อน อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดของซิลิกอนในอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์และแอพพลิเคชั่นที่มีกำลังไฟสูงเป็นแรงผลักดันให้มีการพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์รุ่นต่อไป
สารกึ่งตัวนำรุ่นที่สอง: แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) และอินเดียมฟอสไฟด์ (InP)
พื้นฐานการพัฒนา
ในช่วงทศวรรษ 1970–1980 สาขาใหม่ ๆ เช่น การสื่อสารเคลื่อนที่ เครือข่ายใยแก้วนำแสง และเทคโนโลยีดาวเทียม ก่อให้เกิดความต้องการวัสดุออปโตอิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูงที่มีประสิทธิภาพอย่างเร่งด่วน ซึ่งเป็นแรงผลักดันให้เกิดความก้าวหน้าของเซมิคอนดักเตอร์แบนด์แก็ปโดยตรง เช่น GaAs และ InP
คุณสมบัติของวัสดุ
ประสิทธิภาพของแบนด์แก๊ปและออปโตอิเล็กทรอนิกส์:
GaAs: 1.42eV (bandgap โดยตรง ช่วยให้ปล่อยแสงได้ เหมาะสำหรับเลเซอร์/LED)
InP: 1.34eV (เหมาะกว่าสำหรับการใช้งานที่มีความยาวคลื่นยาว เช่น การสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติก 1550 นาโนเมตร)
การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน:
GaAs บรรลุ 8500 cm²/(V·s) ซึ่งเหนือกว่าซิลิกอน (1500 cm²/(V·s)) มาก ทำให้เหมาะสมสำหรับการประมวลผลสัญญาณช่วง GHz
ข้อเสีย
ลวัสดุเปราะบาง: ผลิตได้ยากกว่าซิลิกอน; เวเฟอร์ GaAs มีราคาแพงกว่า 10 เท่า
ลไม่มีออกไซด์ดั้งเดิม: ต่างจาก SiO₂ ของซิลิกอน GaAs/InP ขาดออกไซด์ที่เสถียร ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการผลิต IC ความหนาแน่นสูง
แอปพลิเคชันที่สำคัญ
ลRF ส่วนหน้า:
เครื่องขยายสัญญาณเคลื่อนที่ (PA) เครื่องส่งสัญญาณดาวเทียม (เช่น ทรานซิสเตอร์ HEMT ที่ใช้ GaAs)
ลออปโตอิเล็กทรอนิกส์:
ไดโอดเลเซอร์ (ไดรฟ์ซีดี/ดีวีดี), LED (สีแดง/อินฟราเรด), โมดูลไฟเบอร์ออปติก (เลเซอร์ InP)
ลเซลล์แสงอาทิตย์อวกาศ:
เซลล์ GaAs มีประสิทธิภาพ 30% (เทียบกับซิลิกอนที่ประสิทธิภาพประมาณ 20%) ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับดาวเทียม
ลคอขวดทางเทคโนโลยี
ต้นทุนที่สูงจำกัด GaAs/InP ให้ใช้งานในแอพพลิเคชั่นระดับไฮเอนด์เฉพาะกลุ่มเท่านั้น ซึ่งป้องกันไม่ให้เข้ามาแทนที่การครองตลาดของซิลิกอนในชิปตรรกะได้
เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม (เซมิคอนดักเตอร์แบนด์แก็ปกว้าง): ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกเลียมไนไตรด์ (GaN)
ไดรเวอร์เทคโนโลยี
การปฏิวัติพลังงาน: ยานยนต์ไฟฟ้าและการรวมโครงข่ายพลังงานหมุนเวียนต้องการอุปกรณ์พลังงานที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
ความต้องการความถี่สูง: ระบบการสื่อสารและเรดาร์ 5G จำเป็นต้องมีความถี่และความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น
สภาพแวดล้อมที่รุนแรง: การใช้งานในอุตสาหกรรมอวกาศและมอเตอร์ต้องใช้วัสดุที่สามารถทนต่ออุณหภูมิเกิน 200°C
คุณสมบัติของวัสดุ
ข้อดีของแบนด์แก๊ปกว้าง:
ลSiC: แบนด์แก๊ป 3.26eV, ความเข้มของสนามไฟฟ้าพังทลาย 10 เท่าของซิลิกอน สามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าเกิน 10kV ได้
ลGaN: แบนด์แก๊ป 3.4eV, ความสามารถในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน 2200 cm²/(V·s), โดดเด่นในด้านประสิทธิภาพความถี่สูง
การจัดการความร้อน:
ค่าการนำความร้อนของ SiC สูงถึง 4.9 W/(cm·K) ดีกว่าซิลิกอนถึง 3 เท่า จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่มีกำลังไฟสูง
ความท้าทายด้านวัสดุ
SiC: การเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวที่ช้าต้องใช้ความร้อนสูงกว่า 2,000°C ซึ่งส่งผลให้เวเฟอร์มีข้อบกพร่องและมีค่าใช้จ่ายสูง (เวเฟอร์ SiC ขนาด 6 นิ้วมีราคาแพงกว่าซิลิกอน 20 เท่า)
GaN: ขาดสารตั้งต้นจากธรรมชาติ โดยมักต้องใช้เฮเทอโรอิพิแทกซีบนแซฟไฟร์ SiC หรือซิลิกอน ส่งผลให้เกิดปัญหาความไม่ตรงกันของโครงตาข่าย
แอปพลิเคชันที่สำคัญ
อิเล็กทรอนิกส์กำลัง:
อินเวอร์เตอร์ EV (เช่น Tesla Model 3 ใช้ SiC MOSFET ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้ 5–10%)
สถานี/อะแดปเตอร์ชาร์จเร็ว (อุปกรณ์ GaN รองรับการชาร์จเร็ว 100W+ ในขณะที่ลดขนาดลง 50%)
อุปกรณ์ RF:
เครื่องขยายกำลังสถานีฐาน 5G (PA แบบ GaN-on-SiC รองรับความถี่ mmWave)
เรดาร์ทางทหาร (GaN ให้ความหนาแน่นพลังงานมากกว่า GaAs ถึง 5 เท่า)
ออปโตอิเล็กทรอนิกส์:
UV LED (วัสดุ AlGaN ที่ใช้ในการฆ่าเชื้อและการตรวจจับคุณภาพน้ำ)
สถานะอุตสาหกรรมและแนวโน้มในอนาคต
SiC ครองตลาดพลังงานสูง โดยมีโมดูลเกรดยานยนต์อยู่ในระหว่างการผลิตจำนวนมาก แม้ว่าต้นทุนจะยังคงเป็นอุปสรรคอยู่ก็ตาม
GaN กำลังขยายตัวอย่างรวดเร็วในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค (การชาร์จเร็ว) และแอปพลิเคชั่น RF โดยเปลี่ยนผ่านไปสู่เวเฟอร์ขนาด 8 นิ้ว
วัสดุใหม่ เช่น แกเลียมออกไซด์ (Ga₂O₃, แบนด์แก๊ป 4.8eV) และเพชร (5.5eV) อาจก่อตัวเป็นสารกึ่งตัวนำ "รุ่นที่สี่" ที่ผลักดันขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าให้เกิน 20kV
การอยู่ร่วมกันและการทำงานร่วมกันของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์
ความสมบูรณ์แบบ ไม่ใช่การแทนที่:
ซิลิกอนยังคงมีอิทธิพลเหนือกว่าในชิปตรรกะและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค (95% ของตลาดเซมิคอนดักเตอร์ทั่วโลก)
GaAs และ InP เป็นผู้เชี่ยวชาญในกลุ่มความถี่สูงและออปโตอิเล็กทรอนิกส์
SiC/GaN ไม่สามารถทดแทนได้ในการใช้พลังงานและการใช้งานทางอุตสาหกรรม
ตัวอย่างการบูรณาการเทคโนโลยี:
GaN-on-Si: รวม GaN เข้ากับซับสเตรตซิลิกอนราคาประหยัดสำหรับการชาร์จเร็วและแอปพลิเคชั่น RF
โมดูลไฮบริด SiC-IGBT: ปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงกริด
แนวโน้มในอนาคต:
การบูรณาการแบบหลากหลาย: การรวมวัสดุ (เช่น Si + GaN) ไว้บนชิปตัวเดียวเพื่อสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและต้นทุน
วัสดุที่มีแบนด์แก๊ปกว้างพิเศษ (เช่น Ga₂O₃ เพชร) อาจทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงพิเศษ (>20kV) และแอปพลิเคชันการประมวลผลแบบควอนตัมได้
การผลิตที่เกี่ยวข้อง
เวเฟอร์เอพิแทกเซียลเลเซอร์ GaAs ขนาด 4 นิ้ว 6 นิ้ว
แผ่นซิลิกอนคาร์ไบด์ SIC ขนาด 12 นิ้ว เกรดไพรม์ เส้นผ่านศูนย์กลาง 300 มม. ขนาดใหญ่ 4H-N เหมาะสำหรับการกระจายความร้อนอุปกรณ์กำลังสูง
เวลาโพสต์ : 07-05-2025