همکاری آمریکا و تایوان برای تولید ویفر‌های سیلیکون کاربید/ گامی مهم برای تراشه‌های ۶G و هوش مصنوعی

دانشگاه Purdue University و شرکت تایوانی GeChi Compound Semiconductor (GCCS) از آغاز یک همکاری راهبردی پنج‌ساله برای توسعه و افزایش تولید نیمه‌رسانا‌های مبتنی بر سیلیکون کاربید (SiC) خبر دادند. این همکاری با امضای یک تفاهم‌نامه (MOU) پنج‌ساله شکل گرفته و هدف آن تقویت تحقیق و توسعه مشترک، تربیت نیروی انسانی متخصص و توسعه ظرفیت تولید این ماده کلیدی در خاک آمریکا است.

به گزارش interestingengineering، این مشارکت در شرایطی شکل می‌گیرد که صنایع هوش مصنوعی، مراکز داده پیشرفته و شبکه‌های مخابراتی نسل ششم (۶G) با محدودیت‌های فنی و زنجیره تامین مواجه هستند و سیلیکون کاربید به‌عنوان یکی از مهم‌ترین مواد مورد نیاز برای رفع این چالش‌ها شناخته می‌شود.

اهمیت سیلیکون کاربید در فناوری‌های آینده

سیلیکون کاربید یک نیمه‌رسانای باندگپ پهن (Wide Band Gap) است که نسبت به سیلیکون سنتی مزایای قابل توجهی دارد. این ماده دارای میدان شکست الکتریکی حدود ۱۰ برابر بیشتر از سیلیکون، رسانایی حرارتی بالاتر و قابلیت کار در دما‌های بیش از ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد است.

این ویژگی‌ها باعث می‌شود قطعات الکترونیکی مبتنی بر SiC از جمله ترانزیستور‌های MOSFET و دیود‌های شاتکی بتوانند با سرعت بیشتری سوئیچ کنند و اتلاف انرژی بسیار کمتری داشته باشند. نتیجه این امر تولید ماژول‌های توان کوچک‌تر، سبک‌تر و با بازدهی بالاتر است؛ موضوعی که برای مراکز داده هوش مصنوعی، خودرو‌های برقی و زیرساخت‌های مخابراتی آینده اهمیت حیاتی دارد.

رشد تقاضا و محدودیت عرضه

در سال‌های اخیر تقاضا برای ویفر‌های سیلیکون کاربید به‌سرعت افزایش یافته است، اما تولید این ویفر‌ها همچنان فرآیندی پیچیده، پرهزینه و حساس به بازده تولید محسوب می‌شود. علاوه بر این، تعداد تولیدکنندگان معتبر بستر‌های (Substrate) SiC در جهان محدود است و همین موضوع به یکی از گلوگاه‌های اصلی صنعت تبدیل شده است.

بر اساس اعلام طرفین همکاری جدید میان پردو و GCCS با هدف پر کردن شکاف میان تحقیقات آزمایشگاهی و تولید انبوه صنعتی طراحی شده است. زیرساخت‌های ساخت نیمه‌رسانا و توانمندی‌های علمی دانشگاه پردو در حوزه مواد پیشرفته به توسعه فرآیند‌هایی کمک خواهد کرد که GCCS بتواند آنها را در خطوط تولید صنعتی به کار گیرد.

رفع سه مانع کلیدی در مسیر توسعه هوش مصنوعی و ۶G

شرکت GCCS که در زمینه رشد کریستال‌های پیشرفته سیلیکون کاربید فعالیت می‌کند معتقد است این فناوری می‌تواند سه مانع اساسی پیش روی نسل آینده سخت‌افزار‌های محاسباتی و مخابراتی را برطرف کند:

۱. مدیریت حرارتی: سیلیکون کاربید به‌عنوان یک بستر پیشرفته برای تراشه‌ها امکان استفاده از فناوری‌های خنک‌سازی نوین مانند میکروکانال‌ها را فراهم می‌کند. این موضوع به دفع بهتر گرما در پردازنده‌های پرقدرت هوش مصنوعی کمک خواهد کرد.

۲. تامین توان الکتریکی: استفاده از SiC می‌تواند بازده سیستم‌های تبدیل انرژی از شبکه برق تا سرور‌ها را افزایش دهد. این فناوری از طریق سامانه‌هایی مانند انتقال برق جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) و ترانسفورماتور‌های حالت جامد مصرف انرژی را کاهش می‌دهد.

۳. ارتباطات نسل ششم (۶G): ویژگی‌های الکتریکی و حرارتی سیلیکون کاربید آن را به ماده‌ای کلیدی برای تجهیزات مخابراتی نسل آینده تبدیل کرده و امکان توسعه زیرساخت‌های ارتباطی سریع‌تر و پایدارتر را فراهم می‌کند.

تمرکز بر ویفر‌های ۸ و ۱۲ اینچی

یکی از اهداف اصلی این پروژه مشترک، شناسایی و حذف نقص‌های کریستالی در ساختار سیلیکون کاربید و بهینه‌سازی فرآیند رشد این ماده است. پژوهشگران امیدوارند از طریق این اقدامات مسیر تولید ویفر‌های ۸ و ۱۲ اینچی با بازده بالا را هموار کنند؛ ویفر‌هایی که نقش مهمی در کاهش هزینه‌ها و افزایش مقیاس تولید خواهند داشت.

چالش‌های تولید انبوه

با وجود مزایای فراوان، تولید سیلیکون کاربید همچنان با موانع فنی متعددی روبه‌رو است. رشد لایه‌های اپیتاکسی SiC روی ویفر‌ها به دما‌هایی بالاتر از ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد (حدود ۲۷۳۲ درجه فارنهایت) نیاز دارد و کوچک‌ترین انحراف در شرایط فرآیند می‌تواند باعث ایجاد نقص‌هایی موسوم به میکروپایپ شود که عملکرد قطعات را مختل می‌کنند.

همچنین مراحل بعدی تولید از جمله لیتوگرافی، کاشت یونی و پولیش سطحی به دلیل سختی بالای سیلیکون کاربید، دشوارتر از فرآیند‌های متداول سیلیکونی هستند. از سوی دیگر هزینه تولید ویفر‌های SiC چندین برابر بیشتر از ویفر‌های سیلیکونی است و سودآوری این فناوری به دستیابی به نرخ بازده تولید بالا وابسته است. به همین دلیل همکاری میان دانشگاه‌ها و شرکت‌های صنعتی می‌تواند نقش مهمی در کاهش ریسک توسعه فناوری و انتقال آن به خطوط تولید ایفا کند.

رقابت جهانی در بازار سیلیکون کاربید

بازار جهانی سیلیکون کاربید در حال حاضر در اختیار تعداد محدودی از شرکت‌های بزرگ از جمله Wolfspeed، Coherent و STMicroelectronics قرار دارد. این شرکت‌ها طی سال‌های اخیر میلیارد‌ها دلار برای افزایش ظرفیت تولید خود سرمایه‌گذاری کرده‌اند.

با این حال همکاری جدید میان دانشگاه پردو و GCCS رویکرد متفاوتی را دنبال می‌کند؛ رویکردی که به‌جای تمرکز صرف بر افزایش ظرفیت تولید، بر نوآوری در فرآیند‌های ساخت، بهبود کیفیت مواد و ارتقای بازده تولید متمرکز است.

کارشناسان معتقدند موفقیت این پروژه می‌تواند نقش مهمی در تقویت زنجیره تامین نیمه‌رسانا‌های پیشرفته در آمریکا، کاهش وابستگی به تولیدکنندگان خارجی و تسریع توسعه زیرساخت‌های هوش مصنوعی و ارتباطات ۶G در سال‌های آینده ایفا کند.