تقنية SuperQ: تغيير قواعد اللعبة في ابتكار أجهزة الطاقة
[ad_1]
التكنولوجيا القائمة على السيليكون هي أساس أجهزة الطاقة الحديثة. بدأ تطور أجهزة الطاقة مع اختراع أجهزة جديدة، بما في ذلك ترانزستورات التوصيل ثنائية القطب (BJTs)، والثنائيات، والترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة (IGBTs)، وترانزستورات التأثير الميداني لأكسيد المعدن وأشباه الموصلات (MOSFETs). منذ ذلك الحين، وجدت الصناعة طرقًا أحدث لتحسين هذه المنتجات.
أحد هذه التحسينات في العمليات هو اختراع تقنية المجال السطحي المنخفض (RESURF)، وهو المبدأ الأساسي وراء الوصلات الفائقة MOSFETs. تستخدم أجهزة Superjunction ركائز P وN لإنشاء وحدات MOSFET أكثر كفاءة وأعلى أداء. تسمح مناطق P وN المتناوبة على شكل خنادق وغرسات بتوزيع أكثر اتساقًا للمجال الكهربائي وتقليل مقاومة الجهاز.
في السنوات الأخيرة، توقف اتجاه تطوير الأجهزة والعمليات الأحدث المستندة إلى Si. ويساهم هذا النمو الراكد في فكرة عدم إمكانية تحقيق أي تقدم هيكلي آخر في أجهزة السيليكون. إن فعالية جهاز الطاقة هي نتيجة لكل من المواد المستخدمة في تصنيعه وهندسته المعمارية. نظرًا للتصور بأن البنى القائمة على Si قد وصلت إلى حدودها، كان البديل الوحيد المتاح هو المواد ذات فجوة النطاق الواسعة (WBG) مثل نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون.
التحول من السيليكون إلى مواد WBG
في أي تطبيق لإلكترونيات الطاقة، تتمثل الوظيفتان الأساسيتان لجهاز أشباه الموصلات في تثبيط الجهد أثناء حالة إيقاف التشغيل وتوفير قناة مقاومة منخفضة لتدفق التيار أثناء حالة التشغيل. في الثمانينيات، تم تقديم تقنية HEXFET بهيكل قلل بشكل كبير من المقاومة الأمامية على الحالة (مع استخدام السيليكون بنسبة 100%)، ولكن مقاومتها زادت مع زيادة قدرة جهد الحجب بمعدل مربع.
تستخدم الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة المبنية على تقنية HEXFET بنية أحادية البعد. تزداد مقاومة الهيكل 1D مع مربع جهد الحجب (ر∝الخامس2). قدمت تقنية Superjunction (RESURF)، التي تم تقديمها في التسعينيات، بنية ثنائية الأبعاد، وارتفعت تلك المقاومة خطيًا مع جهد الحجب (ر∝الخامس). يؤدي الهيكل المتماثل بنسب متساوية من مناطق P وN إلى استخدام السيليكون بنسبة 50%، مما يشير إلى وجود مجال لمزيد من التطوير. على مدار العشرين عامًا الماضية، لم يتم تحقيق أي تحسينات معمارية كبيرة لأجهزة السيليكون القائمة على تقنية التوصيل الفائق. أدت هذه الفجوة في أداء الجيل التالي إلى التحول إلى مواد WBG مثل GaN وSiC.
يتمتع قطاع أجهزة الطاقة العالمية بحضور راسخ في تصنيع المكونات القائمة على Si. وفقًا للعديد من المحللين، تبلغ القيمة الإجمالية لسوق أشباه الموصلات في جميع أنحاء العالم 595 مليار دولار، حيث يمثل GaN وSiC أقل من 2 مليار دولار في عام 2022. إن استخدام GaN وSiC كبدائل للسيليكون في الأجهزة الإلكترونية يستلزم إنشاء نظام بيئي جديد. بما في ذلك مرافق الإنتاج والمعدات والعمليات.
في مجال أجهزة الطاقة، فقد رأينا عبر التاريخ أن تكنولوجيا أكسيد الفلز وأشباه الموصلات التكميلية (CMOS) احتلت باستمرار الصدارة من حيث الإنفاق على مرافق التصنيع واستخدام المعدات المتطورة. بمجرد تقدم تقنية CMOS إلى العقدة اللاحقة، مثل الانتقال من 130 نانومتر إلى 90 نانومتر، يصبح من الممكن إنشاء أجهزة طاقة باستخدام عملية 130 نانومتر. وقد خضعت مرافق التصنيع والمعدات بالفعل للاستهلاك، مما أتاح إنتاج أجهزة طاقة منخفضة التكلفة لتوزيعها في الأسواق.
يحاول عالم الطاقة الآن قلب السيناريو باستخدام أجهزة WBG. إنها تبدأ تدفقًا استثماريًا جديدًا تمامًا في المواد والمرافق والمعدات وتقنيات التصنيع التي لم يتم القيام بها من قبل. يؤدي الاستثمار الكبير في البحث والتطوير وتحديات التصنيع إلى ارتفاع تكلفة الوحدة.
لمزيد من التفاصيل، قال مارك جراناهان، الرئيس التنفيذي لشركة iDEAL Semiconductor ونائب رئيس التسويق ريان ماناك، لـ Power Electronics News: “كما تعلمون، اليوم، هناك عدد قليل من مصانع كربيد السيليكون في العالم، ومع ذلك هناك حوالي 300 200 ملم و300 ملم”. – مم مصنوع من السيليكون. هناك قدر كبير من الدولارات المخصصة للبحث والتطوير خلف السيليكون مما يدفع التقدم المستمر لـ CMOS.
مع انتشار الكهرباء في كل شيء – السيارات الكهربائية والأدوات الكهربائية وأجهزة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء وغيرها – يتزايد الطلب على أجهزة الطاقة عالية الأداء بشكل كبير. وفي معرض وصفه للحاجة إلى حلول فعالة وفعالة من حيث التكلفة، قال جراناهان: “إن كهربة أي عملية تتطلب تخطيطًا مكثفًا واستثمارات رأسمالية ضخمة. ويظل الاستخدام الفعال للطاقة أمرًا بالغ الأهمية. ومع ذلك، فمن غير الواقعي توقع استبدال المكونات التي تبلغ قيمتها 1 دولارًا بمكونات تبلغ قيمتها 10 دولارات.
تقنية سوبر كيو
تُظهر المناقشة أعلاه بوضوح الحاجة الملحة إلى تقنية أكثر كفاءة يمكنها الاستفادة من البنية التحتية الحالية لتصنيع السيليكون مع توفير التوافر والقوة والموثوقية التي يتوقعها المصممون. وتناسب تقنية SuperQ الخاصة بشركة iDEAL Semiconductor هذا الوصف تمامًا.
وفي معرض حديثهما عن تصنيع أشباه موصلات السيليكون باستخدام SuperQ، أوضح جراناهان وماناك، “يمكن للسيليكون مع SuperQ أن يسد فجوة التحسين التي شوهدت في السنوات الأخيرة وفجوة التكلفة والأداء التي لا تزال المواد ذات فجوة النطاق واسعة النطاق تعاني منها. كما أن SuperQ على أهبة الاستعداد لتكون قادرة على دعم المواد ذات فجوة النطاق الواسعة لإجراء المزيد من التحسينات في أدائها. ستكون تقنية رائعة لتطبيقها على الأجهزة ذات النطاق العريض عندما يحين الوقت المناسب.
توفر تقنية SuperQ الحاصلة على براءة اختراع من شركة iDEAL Semiconductor مقاومة رائدة في الصناعة لكل وحدة مساحة (Rsp). تعد هذه التقنية ابتكارًا على المستوى الذري يمكن استخدامه لتحسين أداء أجهزة الطاقة المصنعة من أي مادة شبه موصلة.
وقال جراناهان: “إن SuperQ لا أدري: فهو لا يهتم إذا تم تطبيقه على السيليكون أو كربيد السيليكون أو نيتريد الغاليوم”. “لا يزال يقدم تحسنًا كبيرًا في أرقام مزايا المواد شبه الموصلة، ولكن تركيزنا ينصب على السيليكون لأننا نعتقد أن هناك فرصة كبيرة في مجال السيليكون، وتحديدًا في نطاق 60 فولت إلى 850 فولت.”
تستخدم تقنية Superjunction 50% فقط من مساحة التوصيل المتاحة. تتغلب تقنية SuperQ على هذا القيد، حيث يصل هيكلها غير المتماثل إلى استخدام منطقة التوصيل بنسبة تصل إلى 95%. يتم تصنيعه باستخدام تدفق تقليدي يشبه CMOS مناسب للرقائق مقاس 200 مم و300 مم. تتسم عمليات التصنيع الفائقة التقليدية بكثافة رأس المال ومعقدة وطويلة. عملية SuperQ بسيطة وأنيقة.
سمات
يمكن استخدام SuperQ في العديد من الأجهزة، بدءًا من الثنائيات والدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) وحتى الدوائر المتكاملة التي تعمل بالطاقة. تعمل تقنية SuperQ، عند تطبيقها على السيليكون، على تحسين Rsp رقم الجدارة. الرسم البياني أدناه يقارن بين Rsp من SuperQ مقابل المنافسة الرائدة.
تصور الصناعة هو أن مواد WBG توفر طريقًا لمقاومة أقل من السيليكون. ومع ذلك، فإن SuperQ يفتح الإمكانات الكاملة لجهاز الطاقة، وحدوده النظرية تنافسية مع كل من GaN وSiC. يوضح الجدول أدناه الحدود النظرية والمنتجات الفعلية المتاحة لمختلف أجهزة أشباه الموصلات ومقارنتها مع SuperQ.
تعتقد شركة iDEAL Semiconductor أن SuperQ يمثل طفرة في تكنولوجيا أجهزة الطاقة، حيث يقدم مستويات غير مسبوقة من الأداء والموثوقية والفعالية من حيث التكلفة. ومن خلال الاستفادة من مزايا السيليكون، تكسر SuperQ التصور القائل بأن الطريق الوحيد لأداء أعلى هو استخدام مواد جديدة، مما يمنح المصممين أداة قوية أخرى في صندوق أدوات الأجهزة الكهربائية.
[ad_2]
