Silicon, SiC và GaN khác nhau thế nào? Vì sao mỗi vật liệu phù hợp với ứng dụng khác nhau?

Một bộ xử lý máy tính, bộ nghịch lưu của xe điện và bộ sạc nhanh đều sử dụng linh kiện bán dẫn, nhưng chúng không nhất thiết được xây dựng trên cùng một hệ vật liệu. Phần lớn vi xử lý và chip nhớ hiện nay vẫn dựa trên Silicon, trong khi SiC ngày càng xuất hiện ở những hệ thống điện áp và công suất cao, còn GaN được chú ý trong các bộ nguồn cần chuyển mạch nhanh và mật độ công suất lớn.

Sự phân hóa này xuất phát từ chính yêu cầu của từng ứng dụng. Một chip xử lý cần tích hợp số lượng transistor rất lớn với chi phí sản xuất hợp lý. Bộ nghịch lưu xe điện lại phải xử lý dòng điện và điện áp cao trong khi hạn chế tổn hao và nhiệt. Với bộ sạc hoặc nguồn cho trung tâm dữ liệu, tốc độ chuyển mạch còn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và kích thước của toàn bộ hệ thống. Vì vậy, một vật liệu có thể rất phù hợp với bài toán này nhưng lại không mang lại lợi thế kinh tế hoặc kỹ thuật rõ ràng ở bài toán khác.

Đó cũng là lý do sự phát triển của công nghệ bán dẫn không diễn ra theo hướng một vật liệu mới lần lượt thay thế vật liệu cũ. Silicon, SiC và GaN đang cùng tồn tại, nhưng mỗi vật liệu được đẩy mạnh ở một vùng ứng dụng khác nhau. Muốn hiểu vì sao, trước hết cần phân biệt ba vật liệu này là gì và chúng được sử dụng như thế nào trong một linh kiện bán dẫn.

I. Silicon, SiC và GaN là gì?

1. Silicon là nền tảng phổ biến nhất của ngành bán dẫn

Silicon – Si là nguyên tố bán dẫn được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành chip hiện nay. Silicon có thể được tinh chế ở độ tinh khiết rất cao, tạo thành tinh thể đơn và cắt thành những tấm mỏng gọi là wafer. Trên bề mặt wafer, nhà sản xuất lần lượt tạo ra các lớp vật liệu và cấu trúc điện tử để hình thành transistor và vi mạch.

Sau nhiều thập kỷ phát triển, Silicon đã trở thành nền tảng của một hệ sinh thái sản xuất rất lớn. Từ vi xử lý, bộ nhớ, vi điều khiển đến cảm biến và nhiều loại mạch điện tử khác, phần lớn đều có thể được chế tạo trên wafer Silicon.

Lợi thế quan trọng của Silicon không chỉ nằm ở đặc tính vật liệu. Ngành bán dẫn đã có khả năng sản xuất wafer kích thước lớn, kiểm soát khuyết tật tốt và xử lý hàng loạt với chi phí ngày càng thấp. Vì vậy, Silicon vẫn rất khó bị thay thế ở những ứng dụng mà quy mô sản xuất, khả năng tích hợp và chi phí quan trọng hơn khả năng chịu điện áp hoặc nhiệt độ cực cao.

2. SiC mở rộng khả năng của linh kiện trong môi trường điện áp và công suất cao

Silicon Carbide – SiC là hợp chất được tạo thành từ Silicon và Carbon. Khác với Silicon, SiC thuộc nhóm bán dẫn vùng cấm rộng, nghĩa là cấu trúc vật liệu cho phép nó duy trì đặc tính bán dẫn trong những điều kiện điện và nhiệt khắc nghiệt hơn.

Trong thực tế, SiC đặc biệt được quan tâm ở lĩnh vực bán dẫn công suất. Vật liệu này có thể chịu điện trường cao hơn Silicon đáng kể và đồng thời truyền nhiệt tốt. Nhờ đó, linh kiện SiC có khả năng xử lý điện áp và công suất lớn với tổn hao thấp hơn trong nhiều trường hợp.

Đây là lý do SiC ngày càng xuất hiện trong bộ nghịch lưu xe điện, trạm sạc nhanh, hệ thống năng lượng mặt trời, thiết bị điện công nghiệp và những ứng dụng điện áp cao. Tuy nhiên, sản xuất tinh thể và wafer SiC phức tạp hơn Silicon, khiến chi phí vật liệu và chế tạo hiện vẫn cao hơn.

Vì vậy, SiC không phải vật liệu được lựa chọn để thay Silicon trong mọi chip. Giá trị của nó rõ nhất khi những giới hạn về điện áp, công suất và nhiệt bắt đầu trở thành vấn đề chính của hệ thống.

Hình 1. Những nhóm ứng dụng tiêu biểu của Silicon Carbide trong các hệ thống công suất và công nghiệp

3. GaN tạo lợi thế khi tốc độ chuyển mạch trở nên quan trọng

Gallium Nitride – GaN là hợp chất của Gallium và Nitrogen, cũng thuộc nhóm bán dẫn vùng cấm rộng. Nếu SiC thường được nhắc đến với điện áp cao và khả năng tản nhiệt, GaN nổi bật hơn ở những ứng dụng cần chuyển mạch nhanh và hoạt động ở tần số cao.

Đặc tính này đặc biệt quan trọng trong các mạch chuyển đổi nguồn. Transistor trong bộ nguồn phải bật và tắt liên tục để biến đổi điện áp. Khi transistor có thể chuyển trạng thái nhanh hơn và giảm tổn hao trong quá trình đó, hệ thống có thể hoạt động ở tần số cao hơn, từ đó tạo điều kiện thu nhỏ một số linh kiện khác như cuộn cảm và tụ điện.

Đây là một trong những lý do GaN được sử dụng ngày càng nhiều trong bộ sạc công suất cao kích thước nhỏ, nguồn cho trung tâm dữ liệu, thiết bị công nghiệp và các hệ thống tần số cao.

Một điểm cần lưu ý là GaN không hoàn toàn giống Silicon hay SiC về cách được sử dụng trong wafer. Trong nhiều công nghệ thương mại hiện nay, nhà sản xuất không sử dụng một wafer GaN nguyên khối mà tăng trưởng một lớp GaN trên chất nền khác, chẳng hạn Silicon hoặc SiC. Vì vậy mới xuất hiện các khái niệm như GaN-on-Si và GaN-on-SiC.

Chất nền phía dưới không chỉ giữ vai trò cơ học. Nó còn ảnh hưởng đến khả năng tản nhiệt, chất lượng tinh thể, kích thước wafer và chi phí sản xuất của linh kiện GaN. Đây cũng là lý do khi đánh giá một công nghệ bán dẫn, cần nhìn cả vật liệu hoạt động lẫn cấu trúc nền mà vật liệu đó được phát triển trên.

4. Ba loại vật liệu tồn tại cùng nhau cho các nhóm ứng dụng khác nhau

Hình 2. Silicon, SiC và GaN phù hợp với những nhóm ứng dụng khác nhau trong công nghệ bán dẫn

II. Sự khác biệt về vật liệu tạo ra giới hạn vận hành khác nhau

Sau khi hiểu Silicon, SiC và GaN là gì, câu hỏi tiếp theo là vì sao chỉ thay đổi vật liệu lại có thể khiến một linh kiện phù hợp với bộ xử lý, xe điện hay bộ sạc nhanh theo những cách rất khác nhau. Câu trả lời nằm ở đặc tính vật lý của từng vật liệu, đặc biệt là độ rộng vùng cấm, khả năng chịu điện trường và khả năng truyền nhiệt.

Silicon có độ rộng vùng cấm khoảng 1,12 eV. Trong khi đó, 4H-SiC đạt khoảng 3,26 eV và GaN khoảng 3,4 eV. Chính vì có vùng cấm lớn hơn đáng kể, SiC và GaN được xếp vào nhóm bán dẫn vùng cấm rộng. Theo Infineon về đặc tính vùng cấm của GaN và SiC, đặc điểm này giúp hai vật liệu chịu được điện trường cao hơn, hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt hơn và mở ra những thiết kế linh kiện công suất mà Silicon khó đạt được với cùng hiệu quả.

Hình 3. Silicon, Silicon Carbide và Gallium Nitride là ba hệ vật liệu quan trọng trong công nghệ bán dẫn

III. Silicon vẫn thống trị vì ngành bán dẫn đã tối ưu cả một hệ sinh thái quanh vật liệu này

Nếu chỉ nhìn vào bảng thông số, Silicon có vẻ kém hấp dẫn hơn SiC và GaN. Nhưng một nền tảng bán dẫn không được quyết định chỉ bởi số liệu vật lý của vật liệu. Khả năng sản xuất ổn định, kích thước wafer, tỷ lệ sản phẩm đạt yêu cầu, hệ thống thiết bị và chi phí trên mỗi chip đều quan trọng không kém.

Silicon có lợi thế rất lớn ở những yếu tố này. Trong nhiều thập kỷ, ngành bán dẫn đã xây dựng một hệ sinh thái hoàn chỉnh quanh wafer Silicon: từ tăng trưởng tinh thể, tạo màng, quang khắc, pha tạp, khắc đến kim loại hóa và kiểm thử. Wafer 300 mm đã trở thành nền tảng quen thuộc trong sản xuất khối lượng lớn, giúp nhà sản xuất xử lý số lượng die rất lớn trong mỗi chu kỳ.

Vì vậy, với CPU, GPU, bộ nhớ, vi điều khiển hay nhiều mạch tương tự, việc chuyển sang SiC hoặc GaN không tự động mang lại lợi ích. Những sản phẩm này cần mật độ transistor cao, quy trình cực kỳ trưởng thành và chi phí sản xuất hợp lý hơn là khả năng chịu điện áp rất cao.

Bản thân silicon cũng chưa được xử lý ở mức hiệu quả nhất. Các nhà sản xuất vẫn liên tục giảm độ dày wafer, tối ưu cấu trúc transistor và cải thiện hiệu suất linh kiện công suất. Điều này cho thấy sự phát triển của SiC và GaN không phải câu chuyện “vật liệu mới thay thế vật liệu cũ”, mà là ngành bắt đầu sử dụng vật liệu khác khi Silicon không còn là lựa chọn hiệu quả nhất cho một yêu cầu cụ thể.

IV. SiC phát huy lợi thế khi điện áp và công suất trở thành bài toán chính

Điểm khác biệt của SiC dễ thấy nhất trong linh kiện công suất. Một transistor ở đây phải thực hiện hai nhiệm vụ trái ngược: khi bật, dòng điện phải đi qua với tổn hao thấp; khi tắt, transistor phải chặn được điện áp cao mà không bị đánh thủng.

Với Silicon, để chịu điện áp càng cao, vùng vật liệu dùng để chặn điện áp thường phải được thiết kế dày hơn. Nhưng lớp này càng dày thì điện trở càng tăng, khiến nhiều năng lượng hơn bị chuyển thành nhiệt. Khi điện áp và công suất của hệ thống tiếp tục tăng, sự đánh đổi này ngày càng khó giải quyết.

SiC có điện trường đánh thủng cao hơn Silicon khoảng một bậc độ lớn. Nhờ đó, linh kiện có thể chịu điện áp tương đương trên một cấu trúc mỏng hơn, qua đó giảm một phần điện trở và tổn hao. SiC đồng thời có khả năng truyền nhiệt rất tốt, tạo thêm lợi thế khi linh kiện phải xử lý mật độ công suất lớn.

Đây là lý do SiC ngày càng gắn với xe điện, bộ nghịch lưu, trạm sạc nhanh, năng lượng tái tạo và thiết bị điện công nghiệp. Thay vì chỉ cải thiện bản thân transistor, giảm tổn hao ở linh kiện công suất còn có thể giúp giảm lượng nhiệt phải xử lý, thu nhỏ một phần hệ thống làm mát và cải thiện hiệu suất tổng thể.

Sự phát triển của SiC cũng đang được thể hiện qua kích thước wafer. Các nhà sản xuất lớn đang chuyển từ 150 mm lên 200 mm nhằm tăng số die trên mỗi wafer và từng bước cải thiện hiệu quả kinh tế của công nghệ. Đây là một bước quan trọng, bởi ưu thế vật lý chỉ trở thành lợi thế thương mại khi vật liệu có thể được sản xuất ổn định với năng suất đủ cao.

V. GaN tạo ra lợi thế khác: chuyển mạch nhanh hơn để thu nhỏ cả hệ thống

Nếu SiC nổi bật ở điện áp và công suất cao, GaN đặc biệt hấp dẫn khi bài toán chuyển sang tốc độ chuyển mạch.

Trong một bộ nguồn, transistor không đơn giản bật một lần rồi duy trì trạng thái. Nó liên tục đóng và ngắt để chuyển đổi điện áp. Mỗi lần chuyển trạng thái đều gây ra một phần tổn hao. Vì vậy, nếu transistor có thể chuyển đổi nhanh hơn và mất ít năng lượng hơn trong mỗi chu kỳ, hệ thống có thể hoạt động ở tần số cao hơn.

Đây là điểm GaN tạo ra khác biệt. Theo Infineon về đặc tính bán dẫn GaN, vùng cấm rộng và đặc tính vận chuyển electron của vật liệu giúp GaN phù hợp với các linh kiện cần chuyển mạch nhanh, tổn hao thấp và mật độ công suất cao.

Lợi ích này không dừng ở transistor. Khi tần số chuyển mạch tăng, một số linh kiện thụ động trong bộ nguồn như cuộn cảm và tụ điện cũng có thể được thu nhỏ. Vì vậy, khi một bộ sạc GaN nhỏ hơn, nguyên nhân không đơn giản là “chip GaN nhỏ hơn Silicon”, mà là GaN cho phép thiết kế lại cả hệ thống nguồn ở tần số cao hơn.

Đây là lý do GaN ngày càng xuất hiện trong bộ sạc công suất cao, nguồn cho trung tâm dữ liệu và những thiết bị cần mật độ công suất lớn nhưng không có nhiều không gian dành cho hệ thống nguồn.

VI. SiC và GaN giải quyết hai bài toán khác nhau chứ không cạnh tranh để tìm một người thắng

Khi đặt SiC và GaN cạnh nhau, rất dễ chuyển sang câu hỏi “loại nào tốt hơn?”. Nhưng nếu không xác định ứng dụng, câu hỏi này gần như không có đáp án.

SiC thường phát huy lợi thế rõ hơn khi hệ thống phải xử lý điện áp cao, công suất lớn và lượng nhiệt đáng kể. GaN lại mạnh khi yêu cầu chính nằm ở tốc độ chuyển mạch, tần số và khả năng thu nhỏ hệ thống. Hai vùng này vẫn có phần giao nhau, vì vậy trong một số ứng dụng, nhà sản xuất có thể cân nhắc cả hai dựa trên hiệu suất, điện áp, thiết kế mạch, chi phí và độ trưởng thành của chuỗi cung ứng.

Có thể hiểu đơn giản:

• Silicon phù hợp khi ưu tiên là quy mô, chi phí và khả năng tích hợp.
• SiC phù hợp khi giới hạn cần vượt qua là điện áp, công suất và nhiệt.
• GaN phù hợp khi giới hạn cần vượt qua là tốc độ chuyển mạch và mật độ công suất.

Vì vậy, sự phát triển của ngành không đi theo đường thẳng Silicon → SiC → GaN. Thực tế, ba nền tảng đang cùng tồn tại và ngày càng chuyên môn hóa theo những vùng ứng dụng khác nhau.

VII. Với GaN, chất nền phía dưới cũng quyết định một phần hiệu năng và chi phí

GaN còn cho thấy một điểm phức tạp hơn của công nghệ bán dẫn: vật liệu tạo transistor và vật liệu làm nền không phải lúc nào cũng giống nhau.

Trong nhiều linh kiện thương mại, lớp GaN được tăng trưởng trên một wafer khác. Hai cấu trúc thường gặp là GaN-on-Si và GaN-on-SiC.

GaN-on-Si tận dụng ưu thế rất lớn của Silicon về kích thước wafer và hạ tầng sản xuất. Nếu có thể tăng trưởng GaN ổn định trên wafer Silicon lớn, nhà sản xuất có cơ hội tận dụng một phần dây chuyền đã tồn tại và giảm chi phí trên mỗi die.

Tuy nhiên, GaN và Silicon có cấu trúc tinh thể và độ giãn nở nhiệt khác nhau. Khi lớp GaN được tăng trưởng ở nhiệt độ cao rồi làm nguội, sự khác biệt này có thể tạo ứng suất, làm cong wafer hoặc hình thành khuyết tật. Đây là lý do các lớp đệm và khả năng kiểm soát epitaxy trở thành phần rất quan trọng của GaN-on-Si.

Ngược lại, GaN-on-SiC có lợi thế tốt hơn về truyền nhiệt và sự tương thích vật liệu, vì vậy thường được quan tâm trong những ứng dụng công suất và tần số rất cao. Tuy nhiên, chất nền SiC đắt hơn Silicon, khiến bài toán kinh tế thay đổi.

Như vậy, cùng sử dụng GaN ở lớp hoạt động nhưng chỉ cần thay chất nền, nhà sản xuất đã phải cân nhắc lại khuyết tật tinh thể, tản nhiệt, kích thước wafer và chi phí. Đây là ví dụ rất rõ cho thấy chất nền không đơn giản chỉ là “tấm đỡ” phía dưới linh kiện.

VIII. Vật liệu có thông số tốt vẫn phải vượt qua bài toán wafer, khuyết tật và tỷ lệ sản phẩm đạt chuẩn

Giả sử một vật liệu có điện trường đánh thủng rất cao nhưng wafer khó sản xuất, có nhiều khuyết tật hoặc lớp epitaxy không đồng đều. Khi đó, số die đạt yêu cầu trên mỗi wafer sẽ giảm và chi phí của từng chip sử dụng được sẽ tăng mạnh. Đó là lý do yield – tỷ lệ sản phẩm đạt chuẩn quan trọng không kém thông số vật lý.

Kích thước wafer cũng tác động trực tiếp đến hiệu quả sản xuất. Wafer lớn hơn cho phép xử lý nhiều die hơn trong cùng một chu kỳ, nhưng đồng thời làm bài toán độ phẳng, nhiệt độ, ứng suất và độ đồng đều của lớp vật liệu trở nên khó hơn.

Silicon đã đạt nền sản xuất 300 mm rất trưởng thành. SiC đang chuyển mạnh lên 200 mm. GaN-on-Si cũng đang tiến tới 300 mm. Ba con số này phản ánh ba mức độ trưởng thành khác nhau của chuỗi sản xuất chứ không chỉ kích thước của một tấm wafer.

Vì vậy, một vật liệu bán dẫn cần đi qua cả chuỗi: đặc tính vật liệu → chất lượng wafer → epitaxy → quy trình chế tạo → khuyết tật → yield → chi phí trên mỗi chip đạt chuẩn

trước khi lợi thế trên lý thuyết trở thành giá trị thực tế trên thị trường.

IX. Vật liệu, thiết bị và đo lường phải được nhìn trong cùng một quy trình sản xuất bán dẫn

Sau khi wafer và lớp epitaxy được hình thành, linh kiện còn phải trải qua nhiều công đoạn như tạo màng, quang khắc, khắc, xử lý nhiệt, kim loại hóa và đo lường. Vì vậy, thay đổi vật liệu nền thường kéo theo thay đổi trong cả quy trình phía sau.

Đây cũng là lý do PMAC không xây dựng danh mục bán dẫn chỉ quanh một nhóm wafer. Trong hồ sơ công nghệ hiện tại, PMAC định hướng phạm vi từ Silicon, SOI, SiC và GaN đến vật liệu tạo màng, tiền chất CVD/ALD, vật liệu kim loại hóa, thiết bị xử lý wafer và các giải pháp phân tích – đo lường.

Ở cấp độ rộng hơn, hệ sinh thái công nghiệp PMAC cũng đang được mở rộng theo hướng kết nối vật liệu, thiết bị, phân tích – đo lường và hỗ trợ kỹ thuật quanh từng bài toán sản xuất thay vì xem chúng như những nhóm sản phẩm độc lập.

Đối với các công đoạn kim loại hóa, yêu cầu này càng rõ. Một lớp kim loại chỉ rất mỏng nhưng chất lượng của nó có thể ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng dẫn điện, độ tin cậy của tiếp xúc và tính ổn định của linh kiện. PMAC đã phân tích sâu hơn mối liên hệ giữa vật liệu và điều kiện quá trình trong bài Vật liệu xi mạ bán dẫn: Cơ hội mới cho PMAC và Umicore.

Nhìn theo cách này, việc lựa chọn Si, SiC hay GaN mới chỉ là điểm bắt đầu. Giá trị cuối cùng còn phụ thuộc vào khả năng kiểm soát các công đoạn tiếp theo đủ ổn định để chuyển lợi thế vật liệu thành hiệu năng thực tế của linh kiện.

Hình 4. Phân tích, đo lường và kiểm soát quá trình là những mắt xích quan trọng trong sản xuất bán dẫn

X. Công nghệ bán dẫn đang chuyển từ một vật liệu chủ đạo sang một hệ sinh thái đa vật liệu

Sự phát triển của SiC và GaN không cho thấy Silicon sắp biến mất. Điều đang xảy ra là ngành bán dẫn ngày càng sử dụng đúng vật liệu cho đúng chức năng.

Silicon tiếp tục giữ vai trò trung tâm trong vi xử lý, bộ nhớ và phần lớn các vi mạch cần khả năng tích hợp cao. SiC mở rộng không gian thiết kế của những hệ thống điện áp và công suất lớn. GaN giúp đẩy tần số chuyển mạch và mật độ công suất lên mức cao hơn trong các thiết kế nguồn.

Trong cùng một hệ thống, ba nền tảng này thậm chí có thể cùng tồn tại. Một trung tâm dữ liệu AI có thể sử dụng Silicon cho bộ xử lý, trong khi hệ thống nguồn sử dụng GaN hoặc SiC để chuyển đổi điện năng hiệu quả hơn.

Đây cũng là lý do chuỗi cung ứng bán dẫn không chỉ bao gồm thiết kế và chế tạo chip. Cơ hội còn nằm ở wafer, vật liệu epitaxy, hóa chất độ tinh khiết cao, kim loại hóa, thiết bị sản xuất, phân tích và đo lường – những lớp năng lực quyết định liệu một vật liệu có thể thực sự đi từ phòng nghiên cứu đến sản xuất quy mô lớn hay không.

Silicon, SiC và GaN vì vậy không nằm trong một cuộc đua để tìm ra vật liệu tốt nhất. Mỗi nền tảng mở rộng một giới hạn khác nhau của công nghệ bán dẫn, và lựa chọn cuối cùng luôn phải dựa trên yêu cầu của ứng dụng, khả năng sản xuất và hiệu quả của toàn bộ hệ thống.

Liên hệ PMAC để tìm hiểu thêm về vật liệu, thiết bị và công nghệ phân tích – đo lường phục vụ các quy trình sản xuất bán dẫn.

Công ty Cổ phần PMAC

HCM: Trung Tâm Công nghệ cao, Lầu 4, Tòa nhà HUTECH, đường D1, Khu Công Nghệ Cao, Phường Tăng Nhơn Phú, TP. Hồ Chí Minh

HN: Số 22B Ơ2 Bán Đảo Linh Đàm, Phường Hoàng Liệt, TP Hà Nội

Hotline: 0387 235 878

Fanpage: PMAC