Новый фаворит: широкозонные полупроводники
Третье поколение полупроводниковых материалов: настоящее и будущее
Нобелевский лауреат по физике Жорес Алферов называл три направления, открытия в которых в значительной степени изменили ход истории и во многом определили дальнейшее научно-техническое развитие человечества, — это деление ядер урана, полупроводники и лазеры. Если говорить о полупроводниках, то создание транзисторов и последовавшее становление микроэлектроники стало основой для появления множества технологий, без которых мы сегодня не мыслим свою жизнь, — от вычислительной техники и гаджетов до оптоволоконной связи и светодиодов.
Сегодня много говорят о третьем поколении полупроводниковых материалов — широкозонных полупроводниках, чьи физические свойства позволяют использовать их при гораздо более высоких температурах, напряжениях и частотах, чем кремний и другие полупроводники предыдущих поколений. В последнее время эти возможности находят все более широкое практическое применение.
Эксперты рассказали «Вестнику атомпрома» о том, какие материалы являются широкозонными полупроводниками, каковы их основные особенности и преимущества перед материалами предыдущих поколений, в каких областях они используются сейчас и какие перспективы открывают для применения в будущем.
Александр Поляков
Кандидат технических наук, профессор кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников Института новых материалов Университета науки и технологий МИСИС
«Чтобы сократить отставание России в современной полупроводниковой технике, потребуется стабильное финансирование и несколько лет упорной работы»
Спектр различных материалов, которые люди шире всего применяют в силовых полупроводниковых приборах, можно условно разложить на три поколения. Первое — кремний, это классика полупроводниковой техники. Второе — арсенид галлия и фосфид индия. Третье поколение начиналось с карбида кремния, за ним последовал нитрид галлия. Сейчас к ним добавились инновационные материалы на основе твердого раствора алюминия — галлия и их оксидов, которые условно можно отнести к поколению «3+».
Чем хороши полупроводники третьего поколения? Любой полупроводник с точки зрения теоретической электроники в определенном смысле представляет собой квантовый объект: в одном состоянии электроны в нем статичны (эти состояния относят к так называемой валентной зоне), в другом — подвижны (эта зона состояний называется зоной проводимости). Кроме того, возможно передвижение заряда по незаполненным состояниям в валентной зоне. Эти состояния называют дырками, в электрическом токе они ведут себя как положительные заряды.
Чтобы перевести электроны из первого состояния во второе, им нужно сообщить некоторую энергию, которая обозначается как ширина запрещенной зоны. Помимо прочих характеристик, ее значение напрямую влияет на такие важнейшие параметры, как допустимая рабочая температура прибора и пороговое напряжение, которое еще не приводит к электрическому пробою. Ведь чем шире запрещенная зона, тем большую энергию нужно сообщить электрону для перехода между состояниями. Более того, все известные в настоящий момент полупроводниковые материалы устроены таким образом, что и энергия связи частиц в атоме возрастает монотонно с увеличением ширины запрещенной зоны. А это значит, что при прочих равных через полупроводники из материалов с широкой запрещенной зоной вы можете позволить себе гонять бОльшие токи и прикладывать к контактам бОльшие напряжения без опасения сжечь прибор. Кроме того, одновременно вы получаете возможность еще и разместить эти контакты ближе друг к другу без риска пробоя, уменьшая при этом сопротивление прибора во включенном состоянии (а значит, сокращая потери энергии на нагрев прибора). А чем меньше масса, тем меньше необходимость отводить лишнее тепло; да и просто сам по себе небольшой размер прибора в электронике имеет колоссальную важность! Условно говоря, там, где на одну задачу вам требовалось десять одинаковых полупроводниковых устройств на основе кремния, с той же задачей справится один прибор такого же размера из оксида галлия.
Именно поэтому человечество возлагает огромные надежды на новые полупроводниковые приборы в силовой электронике, которая имеет дело с большими напряжениями, например в электроприводах электропоездов, электромобилей, самолетов, а также в схемах, служащих для конвертации передаваемого по проводам высокого напряжения в напряжение потребительской сети. Весьма перспективно их использование, кроме того, в конверторах, помогающих преобразовывать энергию с солнечных батарей в передаваемый по проводам ток.
Но эта область современной техники очень консервативна. Любое устройство здесь выдает сравнительно большую мощность, а значит, необходимо разумным образом перестраховываться, чтобы снизить риск ущерба. Это, в свою очередь, порождает пустившие могучие корни стереотипы: сведущие в полупроводниковых устройствах специалисты за многие десятилетия привыкли к определенным методикам, алгоритмам, программным кодам. И чтобы внедриться в их среду с новыми идеями, надо их привычки перенять и под них подстроиться.
Во многом из-за двух названных причин новые полупроводниковые материалы завоевывают место под солнцем крайне медленно. Практически работоспособность полупроводниковых устройств на основе карбида кремния была доказана в 1980-х годах, но в приборы широкого применения он начинает внедряться только сейчас. До сих пор сложно и трудоемко растить кристаллы этого материала необходимого размера без дефектов, поэтому роскошь использовать их в промышленных масштабах до недавнего времени могли позволить себе только компании, которые сами их нарабатывали. По нитриду галлия серьезные научные публикации датируются началом 1990-х годов — и лишь в наши дни он начинает входить в практический обиход в опытном производстве. Его преимущество в универсальности: он находит применение, скажем, в светодиодах, излучающих свет в видимой области (такие, к примеру, используются в экранах смартфонов или современных телевизоров). Но у него есть серьезный недостаток — невысокая теплопроводность. Это приводит к необходимости выращивать кристаллы для силовых устройств на «вспомогательных» подложках, например, из кремния или карбида кремния — а тогда зачем вам замыкаться именно на нитриде галлия, если в технологическом процессе все равно приходится задействовать другой материал?
В последнее десятилетие разворачиваются серьезные научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки по оксиду галлия. Этот материал может обеспечить втрое большие по сравнению с уже применяемыми полупроводниковыми силовыми устройствами пробивные напряжения. Для силовых применений в области очень высоких напряжений это, конечно, очень интересно. Но резкий скачок к применению Ga2O3 на практике пока сковывает невозможность добиться приемлемой проводимости p-типа (напомню, что в полупроводниках важно задействовать перенос тока не только электронами — так называемую проводимость n-типа, но и дырками — проводимость p-типа). Кроме того, определенные перспективы по инновационным полупроводниковым материалам просматриваются с алмазом. Но это, скорее, послезавтра полупроводниковой техники: есть очень много трудностей с выращиванием кристаллов большого диаметра и с контролем проводимости (в особенности n-типа).
Россия, к сожалению, в современных полупроводниковых материалах отстает, и весьма значительно. Мне известно всего лишь несколько изучающих эти вопросы небольших научно-исследовательских коллективов и примерно столько же компаний, производящих кристаллы и пленки и делающих из них приборы в небольших объемах. Остальное мы закупаем. Для сокращения отставания надо подойти к этому вопросу комплексно: создать целевые программы; разработать или приобрести (если это возможно) технику для выращивания материалов, изготовления приборов, изучения их свойств; определить головные научно-производственные предприятия; озаботиться подготовкой молодых кадров. Самое главное — предусмотреть бюджетное финансирование на эти цели и забыть про немедленную отдачу: в течение нескольких лет упорной работы придется тратить средства, а не зарабатывать их!
Николай Каргин
Доктор технических наук, профессор, проректор, директор центра радиофотоники и СВЧ-технологий Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»
«Рынок современных широкозонных полупроводников растет на десятки процентов ежегодно»
По прогнозам одной из ведущих аналитических компаний Yole Group(см. Боднарь Д. Полупроводниковая микроэлектроника — 2022. Ч. 2. Широкозонные полупроводники — мировые фавориты в новых производствах и научных разработках // Электронные компоненты. 2023. № 1), к 2027 году совокупный объем мирового рынка мощных приборов с полупроводниками на основе карбида кремния достигнет 6,297 млрд долларов. Главным сегментом их применения останется автомобильный, который вырастет с 63% от всех использований этого материала до 79%. Основными устройствами для электромобилей, как и сейчас, будут тяговые инверторы двигателя и зарядные системы.
Мировыми лидерами в производстве SiC-приборов считаются STMicroelectronics (Европа), Infineon Technologies (Европа), Wolfspeed (Северная Америка), ROHM (Азия), Onsemi (Северная Америка) и Mitsubishi Electric (Азия).
Та же аналитическая компания прогнозирует почти 16-кратное увеличение мирового рынка мощных приборов на основе GaN с 127 млн долларов в 2021 году до 2 млрд долларов в 2027-м со среднегодовым темпом роста 59%. Доминировать здесь будут потребительский и автомобильный сегменты. К 2027 году они достигнут объемов в 964,7 млн и 308,9 млн долларов соответственно.
Как ожидается, спрос на GaN-изделия будет непрерывно увеличиваться в системах обработки данных, оборудовании для промышленных предприятий с высокой мощностью и энергопотреблением. При этом основные страны-производители сохранят ориентир на нулевой уровень углеродных выбросов. Поэтому на автомобильном рынке растет интерес к применению GaN-преобразователей для зарядных систем и так называемых DC-DC-преобразователей. Отдельное направление рынка для GaN — СВЧ-устройства для станций сотовой связи поколений 5G и 6G, радаров гражданского и военного назначений, спутниковых систем и так далее, где к 2026 году объем рынка достигнет 2,4 млрд долларов.
Лидерами в производстве GaN-приборов являются EpiGaN (Европа), EPC (Северная Америка), GaN Systems (Северная Америка), SEI (Азия), MicroGaN (Европа), NTT-AT (Азия), Toshiba (Азия), Transphorm (Северная Америка) и др.
Промышленного производства карбидкремниевых приборов в России в настоящее время нет. Одна из основных проблем в технологии как SiC, так и GaN (у этого материала отсутствуют собственные подложки больших размеров, поэтому растить кристаллы приходится на материалах с близкой кристаллической структурой, в том числе на карбиде кремния) — получение подложек с низкой концентрацией дефектов. А для снижения себестоимости кристалла необходимо переходить к подложкам большого размера (не менее 200 мм). Для этого необходима адаптация всех производственных линий, особенно технологических участков формирования структур, что, в свою очередь, требует соответствующего оборудования, зачастую недоступного отечественным предприятиям из-за санкций.
Технологиями изготовления подложек карбида кремния в России владеют компании АО «Светлана-Электронприбор» (полуизолирующий SiC диаметром до 76 мм) и АО «Нитридные кристаллы» (проводящие SiC диаметром до 100 мм). К освоению технологии роста подложек карбида кремния также приступила ставропольская компания «Монокристалл».
Промышленные технологии изготовления структур нитрида галлия и карбида кремния политипа 4H, предназначенного для применения в электронных устройствах, в России отсутствуют. В лабораторных масштабах эти технологии имеются в НИЯУ «МИФИ» (3C-SiC, GaN), ФТИ им. Иоффе РАН (GaN), АО «Элма-Малахит» (GaN), СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (кристаллы SiC, выращиваемые методом Лэли), НТЦ микроэлектроники РАН (GaN), ИФП СО РАН (GaN).
Коммерческие дискретные транзисторы СВЧ-диапазона предлагает АО «Светлана-Рост». АО «ОКБ-Планета» в настоящее время внедряет технологию производства GaN СВЧ-дискретных приборов и монолитных микросхем с размером обрабатываемых подложек, ограниченных 50 мм. АО «НПП «Исток» им. Шокина» также активно развивает технологии дискретных приборов на основе нитрида галлия.
Технологии процессирования дискретных GaN-приборов в лабораторных масштабах имеются в НИЯУ «МИФИ», ИСВЧПЭ РАН, НПП «Пульсар». Сборку СВЧ-модулей на основе GaN производят в компании «Микроволновые системы». Мощные СВЧ- и силовые транзисторы на основе импортных чипов GaN предлагает воронежский НИИЭТ.
Отдельно стоит отметить компании, разрабатывающие и предлагающие так называемые фаундри-услуги (производство микропроцессоров по проектной документации фирмы-заказчика) по технологии дискретных GaN-приборов с проектными нормами 0,15 и 0,25 мкм. В настоящее время это АО «Светлана-Рост», НИЯУ «МИФИ» и НИЦ «Курчатовский институт».
Отдельной проблемой в технологии широкозонных материалов представляется необходимость ионной имплантации и последующей высокотемпературной обработки, что особенно актуально для карбида кремния. Такое оборудование в России не производится, в настоящий момент имеются только планы по его разработке.
Александр Квашнин
Доктор физико-математических наук, старший преподаватель Проектного центра Сколтеха по энергопереходу
«Перспективная область применения широкозонных полупроводников заключается в силовой электронике, которая необходима для связи, телекоммуникации, энергетики»
Основное отличие материалов третьего поколения (широкозонных полупроводников) от предыдущих — это наличие большей запрещенной зоны, которая во многом определяет электронные свойства полупроводников. В нитриде галлия запрещенная зона 3,4 эВ, в карбиде кремния — 3,2 эВ, в оксиде олова — 3,6 эВ. Чем больше ширина запрещенной зоны, тем большие токи может через себя пропускать транзистор на основе данного материала. Для сравнения, у кремния ширина запрещенной зоны около 1,1 эВ. Нитрид галлия выдерживает в 10 раз большее напряжение, чем кремний.
Кроме того, и нитрид галлия, и карбид кремния являются твердыми и тугоплавкими материалами с температурой плавления в два раза большей, чем у кремния. А это значит, что электронные устройства на основе новых материалов должны быть меньше подвержены воздействию перегрева и будут продолжать функционировать при более высоких температурах по сравнению с традиционными кремниевыми устройствами. Большая ширина запрещенной зоны материала также позволяет значительно уменьшать размеры транзистора по сравнению с кремнием, в котором при значительном уменьшении начинает происходить электрический пробой. Уменьшение размеров транзисторов, в свою очередь, приведет к еще большей миниатюризации электронных устройств с соответствующим приростом в производительности таких устройств.
Нитрид галлия уже сейчас используется в большинстве современных синих и ультрафиолетовых светодиодов, также на основе кристаллов нитрида галлия работает система считывания и записи дисков Blu-ray. Потенциальные рынки для приборов на основе нитрида галлия могут включать в себя СВЧ-устройства (радиочастотные усилители мощности) и высоковольтные коммутационные устройства для электрических сетей. Карбид кремния также может быть использован в силовой электронике, так как транзисторы на его основе будут обладать большим быстродействием, выдерживать высокое напряжение и будут меньше нагреваться.
Помимо увеличения быстродействия устройств и увеличения срока их службы, у широкозонных полупроводников есть и другие преимущества. За счет возможности выдерживания более высокого напряжения эти материалы могут быть использованы для создания электронных приборов, работающих на значительно более высоких частотах. Например, мобильные телефоны на кремниевых транзисторах могут работать на частоте нескольких гигагерц или десятков гигагерц. Использование нитрида галлия или других широкозонных полупроводников позволит увеличить эти частоты на порядки.
В настоящий момент компания Xiaomi вместе с новыми смартфонами поставляет зарядные устройства мощностью 65–67 Вт, в которых используется нитрид галлия. За счет этого зарядное устройство имеет меньшие габариты, быстрее заряжает смартфон и при этом значительно меньше нагревается. Перспективная область применения широкозонных полупроводников заключается в силовой электронике, которая необходима для связи, телекоммуникации, энергетики и т.д.
Одним из основных препятствий на пути распространения и масштабирования использования широкозонных полупроводников в электронике является огромный рынок производства технологий на основе кремния. Невозможно совершить глобальный переход на новые материалы в короткие сроки. Большинство технологических процессов должно быть перестроено, и это должно осуществляться постепенно. Кроме того, несмотря на все преимущества новых материалов, их все еще нужно тестировать при разных режимах работы и условиях эксплуатации, чтобы проверить надежность работы устройств на их основе.
Исследования по применению широкозонных полупроводников в электронике крайне важны и интенсивно ведутся в том числе в России, в научных институтах и вузах, где есть направления по микроэлектронике. Это Алферовский университет, Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Московский институт электронной техники и многие другие.
Если говорить о выпуске широкозонных полупроводников в России, насколько мне известно, в Зеленоградском нанотехнологическом центре был введен в эксплуатацию участок по производству транзисторов на основе нитрида галлия, также воронежский Научно-исследовательский институт электронной техники запустил производство силовых транзисторов на основе нитрида галлия. Пока это производство мелкосерийное, но оно стратегически важно для сфер телекоммуникации, промышленности и энергетики.
