كربيد السيليكون المتماسك

تتميز أشباه الموصلات المصنوعة من كربيد السيليكون بفجوات طيفية أوسع، مما يتيح نقل الطاقة الكهربائية بكفاءة أكبر مقارنة بنظيراتها المصنوعة من السيليكون، وهو ما يجعلها مناسبة لتطبيقات مثل إلكترونيات الطاقة المستخدمة في المركبات الكهربائية وأجهزة استكشاف الفضاء. وهذا يجعل كربيد السيليكون مناسبًا بشكل خاص للاستخدام في المركبات الجوالة والمسبارات.

تقوم شركة «كوهرنت» بتأسيس شركة تابعة جديدة لتوريد ركائز كربيد السيليكون (SiC) ورقائق إبيتاكسية بأحجام 150 ملم و200 ملم. وسيتولى سهيل خان، نائب الرئيس التنفيذي لقسم تقنيات الإلكترونيات ذات الفجوة العريضة في شركة «كوهرنت»، قيادة هذا القسم الجديد.

إلكترونيات الطاقة

توفر رقائق كربيد السيليكون للسيارات الكهربائية طاقة أكبر للبطارية ومدىً أطول بفضل كفاءتها العالية، مما يعني تقليل الطاقة المهدرة على شكل حرارة. كما تتيح مقاومتها الحرارية للمصممين تصنيع مكونات أصغر حجمًا، مما يوفر المساحة والتكاليف.

تتسابق شركات تصنيع الرقائق لتلبية الطلب على هذه التكنولوجيا من خلال تطوير البنية التحتية الإنتاجية لرقائق SiC — وهي شرائح رقيقة من مادة أشباه الموصلات تحتوي على مواد مختلفة مدمجة فيها. ومع ذلك، فإن هذا السباق ينطوي على العديد من العقبات والتحديات، بما في ذلك إنشاء مصانع فعالة بتكاليف إنتاج أقل.

وقد أعلنت شركات «وولفسبيد» و«إنفينيون» و«إس كيه هاينكس» بالفعل عن خطط لبناء مصانع جديدة لإنتاج الرقائق قادرة على تلبية الطلب المتزايد من أسواق السيارات الكهربائية — التي من المتوقع أن تتجاوز قيمتها 2 تريليون دولار في عام 2040 — بفضل الفرص المربحة التي تتيحها هذه التطورات.

وأشار سهيل خان، نائب الرئيس التنفيذي لشركة «كوهيرنت» للمشاريع الجديدة وتقنيات الإلكترونيات ذات الفجوة العريضة، إلى أن الشركات التي تنتج أشباه الموصلات الكهربائية للسيارات الكهربائية تحتاج إلى رقائق كربيد السيليكون الأكثر موثوقية من أجل تصنيع أشباه الموصلات الكهربائية الأكثر موثوقية في هذه السيارات. ولتلبية هذه الحاجة، أنشأت شركة Coherent مؤخرًا شركة تابعة مكرسة حصريًّا لتوسيع الطاقة الإنتاجية لرقائق كربيد السيليكون.

ستستثمر كل من شركتي ’دينسو» و«ميتسوبيشي إلكتريك» مبلغ 500 مليون دولار للحصول على حصة ملكية غير مسيطرة بنسبة 12.5% في الشركة التابعة لشركة «كوهرنت» التي تم تأسيسها حديثًا، مما يوفر لشركة «كوهرنت» رأس المال اللازم لتوسيع إنتاج ركائز كربيد السيليكون (SiC)، وكذلك لإبرام اتفاقيات توريد طويلة الأجل وفقًا لمبادئ السوق الحرة لتلبية احتياجات الشركات اليابانية.

قد تساعد الشراكة التي أبرمتها شركة «كوهرنت» في تعافيها بعد الصعوبات التي واجهتها مؤخرًا. فقد ارتفعت إيرادات الربع الأول ارتفاعًا طفيفًا، لكنها ظلت أقل من المستويات القياسية التي سجلتها مؤخرًا بفضل المبيعات القوية للوحدات البصرية وأجهزة الليزر.

تهدف هذه الصفقة إلى توسيع نطاق أعمال شركة «كوهيرنت» في مجال كربيد السيليكون وترسيخ مكانتها كمورد رئيسي لأشباه الموصلات الكهربائية. وقد أكد خان على أهمية وجود عملاء رئيسيين أقوياء منذ البداية، ولذلك اختار شركتي DENSO وميتسوبيشي كعملاء منذ البداية – وكلاهما من كبار الموردين لأنظمة الطاقة في قطاع السيارات، وقد اشتريا ركائز كربيد السيليكون (SiC) مقاس 150 مم من شركة Coherent على مدار الوقت.

الترددات الراديوية والموجات الدقيقة

مع تزايد شعبية السيارات الكهربائية (EV)، سرعان ما أصبحت رقائق كربيد السيليكون (SiC) محور اهتمام شركات أشباه الموصلات. يُعد كربيد السيليكون (SiC) أقل تكلفة بكثير من رقائق السيليكون التقليدية ويمكنه العمل في درجات حرارة أعلى، مما يتيح للمصنعين تصغير حجم أنظمة التبريد مع تقليل الوزن والتكلفة وزيادة كثافة الطاقة وتقصير مدة الإنتاج — وهو عامل مهم في تلبية طلب المستهلكين على السيارات الكهربائية.

وقد ثبت أن رقائق SiC تحقق أداءً جيدًا في التجارب المختبرية، إلا أن دمجها في الدوائر الكهربائية قد يكون أكثر تعقيدًا بسبب زيادة متطلبات الطاقة ومعدلات التسخين الأسرع أثناء الإنتاج، مما يتطلب مواد وعمليات متخصصة لضمان قدرتها على العمل بسرعات عالية دون التعرض لارتفاع درجة الحرارة أو حدوث أعطال.

استجابةً لهذه التحديات، أعلنت شركة «كوهيرنت» (Coherent) (المعروفة سابقًا باسم «II-VI») عن عزمها تأسيس شركة تابعة مخصصة حصريًّا لإنتاج كربيد السيليكون (SiC)، والتي ستقوم بتصنيع الركائز والرقائق الفوقية قبل العمل عن كثب مع العملاء في كل مرحلة من مراحل الإنتاج، بدءًا من المواد الخام وصولاً إلى إنتاج الأجهزة أو الوحدات النهائية. وستستثمر شركة Coherent في توسيع الطاقة الإنتاجية لمرافق التصنيع مع تحسين قدرات البحث والتطوير والخدمات.

ستستثمر شركتا «دينسو» و«ميتسوبيشي إلكتريك» اليابانيتان 500 مليون دولار لكل منهما، مقابل حصة ملكية غير مسيطرة بنسبة 12.5 في المائة في شركتهما التابعة الجديدة. علاوة على ذلك، سيتم إبرام اتفاقيات توريد طويلة الأجل وفقًا لمبدأ الاستقلالية لتلبية طلب هاتين الشركتين اليابانيتين على ركائز SiC ورقائق إبيتاكسية مقاس 150 مم و200 مم.

سيحقق التعاون مع شركة «كوهرنت» فوائد مالية بالإضافة إلى تقنيات مبتكرة لسوق السيارات الكهربائية الذي يشهد نمواً سريعاً. ومن بين هذه الابتكارات تحسين تماسك الدوران لمراكز الألوان في كربيد السيليكون عبر استخدام المجالات المغناطيسية ونبضات التردد اللاسلكي؛ حيث يستهدف هذا الابتكار على وجه التحديد الدوران النووي لـ 29Si، الذي يتميز بأوقات تماسك دوران طويلة يمكن تحسينها.

ثم تُعكس هذه الإشارات مرة أخرى عبر القناة نفسها ويتم رصدها في نفس اللحظة بالضبط، مما ينتج عنه قراءة متسقة للحالة الأساسية ويسمح بالتحكم المتسق الانتقائي طيفياً في أوضاع الكوديت؛ ويوضح الشكل S8 ذلك فيما يتعلق بحالات 4H-SiC30 لكل من أوضاع PDMR وODMR.

السيارات

يتميز كربيد السيليكون (SiC) بخصائص فريدة للأجهزة الإلكترونية التي تعمل في درجات حرارة أو جهد كهربائي مرتفع، حيث بدأ استخدامه لأول مرة في عام 1907 في الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) وأجهزة الكشف في أجهزة الراديو؛ ويُفضل استخدامه اليوم في تطبيقات تبديل الطاقة ذات الجهد العالي – حيث يمكن لموسفيت SiC التبديل بمعدل يزيد عن 100 ضعف معدل الترانزستورات السليكونية التقليدية مع الحفاظ على درجات حرارة مماثلة.

يستفيد عملاء مثل شركة «دينسو» (DENSO) اليابانية الموردة لمكونات السيارات وشركة «ميتسوبيشي إلكتريك» التي تتخذ من طوكيو مقراً لها من خبرة شركة «كوهرنت» في مجال أشباه الموصلات المصنوعة من كربيد السيليكون، وذلك لدعمهم في تطبيقات السيارات التي تستخدم كربيد السيليكون، بما في ذلك إلكترونيات الطاقة الخاصة بالسيارات الكهربائية. وقد استثمر الطرفان معاً مبلغاً إجمالياً قدره مليار دولار في قطاع أشباه الموصلات المصنوعة من كربيد السيليكون التابع لشركة «كوهرنت».

وستحتفظ شركة «كوهرنت» بنسبة 75% من ملكية هذه الشركة التابعة الجديدة والسيطرة عليها؛ في حين تمتلك كل من «دينسو» و«ميتسوبيشي إلكتريك» حصة غير مسيطرة بنسبة 12.5%. وتماشياً مع هدف «كوهرنت» المتمثل في توليد نفقات تشغيلية ورأسمالية مستقبلية بشكل مستقل عن أعمال «كوهرنت» الأخرى، من المتوقع أن تولد هذه الشركة نفقاتها التشغيلية الخاصة بها بمرور الوقت.

ومن بين عملائها بعض من أكبر شركات صناعة السيارات في العالم. ويقول خان، بصفته رئيسًا لشركته الفرعية التي تم تأسيسها مؤخرًا: “من الناحية المثالية...”. وستعمل الشركة الفرعية الجديدة مع الشركات على مستوى الركائز/الرقائق الفوقية، وكذلك على مستوى الأجهزة أو الوحدات.

مع التحول السريع الذي يشهده عالم السيارات نحو المركبات الكهربائية، ينبغي أن تتوفر لشركات تصنيع السيارات فقط أجهزة التبديل الكهربائية الأعلى أداءً والأكثر فعالية من حيث التكلفة. ولا تقتصر مزايا ترانزستورات الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون من شركة Coherent على الأداء والموثوقية الممتازين فحسب، بل إنها تساهم أيضًا في حماية البيئة من خلال خفض استهلاك الطاقة وزيادة الكفاءة والمساعدة في تسريع الانتقال نحو مجتمعات منخفضة الانبعاثات الكربونية.

تتميز منتجات أشباه الموصلات المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) من شركة «كوهرنت» بقيم تصنيف الانهيار الكهربائي وقيم RDS(on) رائدة في القطاع عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يتيح للمصممين تصميم أنظمة تحويل الطاقة بكفاءة محسّنة وتكاليف تشغيل منخفضة. علاوة على ذلك، يمكن تصنيع منتجات SiC هذه بترددات تبديل أعلى مع قدرات محسّنة في درجات الحرارة والتردد والجهد مقارنة بنظيراتها المصنوعة من السيليكون، مما يتيح إنتاج محركات سيارات أصغر حجمًا وأخف وزنًا، وهي المحركات اللازمة لتسويق الجيل القادم من السيارات الصديقة للبيئة.

الفضاء الجوي

وقد أثبتت مادة سيليكون الكربيد (SiC) أنها لا غنى عنها في صناعة الفضاء والطيران في العديد من التطبيقات الصعبة، بما في ذلك مضخمات الليزر عالية الطاقة، وأجهزة الاستشعار في البيئات القاسية، وأنظمة الليدار (LiDAR)، ومصفوفات أجهزة الاستشعار. ووفقًا لتقديرات شركة أبحاث السوق «يول جروب» (Yole Group)، من المتوقع أن يتجاوز حجم سوق مادة سيليكون الكربيد (SiC) في مجال الفضاء 21 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2027 (تشيو ودوغموس).

يتمتع كربيد السيليكون (SiC) بالعديد من التطبيقات، وتُعد الأجهزة الإلكترونية المستخدمة في البيئات القاسية من أكثر التطبيقات جاذبية لاستخدامه. وتجعل الخصائص الرئيسية لـ SiC منه خيارًا مثاليًّا للعمل في بيئات مثل محركات الطائرات، وأنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية، وأنظمة الرادار والاتصالات التي تتطلب درجات حرارة وجهدًا كهربائيًّا عاليين.

ولكن لتشغيل مادة كربيد السيليكون (SiC) بنجاح في هذه الظروف القاسية، لا يكفي مجرد وجود عملية تصنيع على نطاق صناعي؛ بل يتطلب الأمر معرفة متعمقة بخصائصها على المستوى الجزيئي.

حقق علماء من جامعة كاليفورنيا في بيركلي تقدماً نحو تحقيق هدفهم. فقد تمكنوا، باستخدام تقنية التحليل الطيفي عالي الدقة، من رصد انتقالات طورية كمية في كربيد السيليكون البلوري؛ وقد توفر ملاحظاتهم أدلة حول سلوك حالات الدوران الإلكتروني لهذه المادة عند درجات الحرارة المنخفضة.

يقدم هذا الاكتشاف صورة أكثر شمولاً عن السلوك الفيزيائي لكربيد السيليكون مقارنةً بما كان متاحًا في السابق، وهو ما قد يساعد المهندسين في تصميم أجهزة مايزر تعمل في درجة حرارة الغرفة وأجهزة استشعار حساسة للمجالات المغناطيسية باستخدام كربيد السيليكون.

تطبق شركة «كوهرنت» رؤاها في أحدث مشاريعها. فقد أنشأت الشركة مؤخرًا شركة تابعة لتوسيع نطاق الإنتاج المتكامل رأسياً لركائز سيليكون الكربون (SiC) والرقائق الفوقية والأجهزة، حيث استثمرت شركتا «دينسو» و«ميتسوبيشي إلكتريك» معًا مبلغًا إجماليًّا قدره مليار دولار في هذا المشروع الذي يقوده سهيل خان — نائب الرئيس التنفيذي لقسم تقنيات الإلكترونيات ذات الفجوة العريضة في شركة «كوهرنت».

ووفقًا لخان، ستستثمر شركتان يابانيتان عملاقتان مبلغ 500 مليون دولار لكل منهما في شركة تابعة جديدة مقابل حصة ملكية غير مسيطرة بنسبة 12.5٪ واتفاقيات توريد طويلة الأجل لدعم أنشطتها في مجال كربيد السيليكون (SiC). ويشير إلى أن هذا النهج يتيح لفريقه الحصول على أقصى قدر من ملاحظات العملاء اللازمة لتحقيق النجاح.