Полупроводниковая микроэлектроника – 2023 г. Часть 1. Широкозонные полупроводники раздвигают горизонты достигнутого

  Статья Дмитрия Боднаря, к.т.н., генерального директора, АО «Синтез Микроэлектроника» в журнале «Электронные компоненты» №11/2023

  Темпы развития широкозонных полупроводников превосходят кремний

     Автор настоящей статьи уже более 6 лет еще до начала текущего мирового бума старается обратить внимание в нашей стране на стремительно развивающее направление полупроводниковой микроэлектроники с применением широкозонных полупроводников (ШЗП). Основной упор автор делает не только на ежегодные практические достижения мировой отрасли, но и на прикладные исследования, которые могут расширить возможности ШЗП по созданию новых технологий и приборов в ближней и среднесрочной перспективе.

Такие исследования задают вектор практического развития технологий, приборов и приложений на перспективу. И каждый следующий год дает для этого немало поводов. В 2022 г. прорывными достижениями стали разработка универсальной QST-технологии для нитрида галлия, открывающей перспективы для производства всех типов продуктов на пластинах диаметром до 300 мм, и результативные исследования по созданию GaN КМОП совместимой технологии для новых классов микросхем [1].  

Рис. 1. Рост мирового рынка и сфер применения мощных SiC-приборов в 2022-2028 гг. от YOLE

За этот небольшой отрезок времени всего в 6 лет мировая отрасль продвинулась от обозначения принципиальной возможности реализации новых силовых приборов на основе SiC и особенно GaN и их относительно небольших объемов производства к полному рассеянию пессимизма по их перспективам даже среди мировых полупроводниковых грандов, ранее только присматривавшихся к этому направлению. А массовый переход многих мировых компаний к освоению производства за такой короткий период времени – лучший показатель долгосрочной перспективы ШЗП.

Переход от создания простых диодов и транзисторов на основе ШЗП к их высоковольтным аналогам и СВЧ-изделиям, затем к простым микросхемам силовой электроники, создание базиса для сложных микросхем по КМОП технологии и современных 3D GaN FinFET архитектур очень быстро раздвигает горизонты и перспективы ШЗП. Очень важным является то, что создаваемые для этого техпроцессы максимально близки и совместимы с классической и давно освоенной кремниевой КМОП технологией. А это гарантирует быстрое снижение себестоимости производства и цен продукции. Именно так и должны развиваться рыночно стимулированные направления науки и производства. И автору настоящей статьи доставляет удовольствие следить за таким прогрессом и делиться этим со специалистами.

     Следует отметить, что темпы и скорость развития широкозонных полупроводников превосходят все то, что происходило ранее с кремнием, но именно большой научный и производственный опыт по кремнию, достигнутый мировой наукой и отраслью, способствовал этому, и без него процессы освоения заняли бы гораздо больше времени. А такого быстрого перехода от диаметра пластин 76 мм к 200 мм, и в перспективе к 300 мм, кремний не знал. Для кремния этот этап занял 20 лет (с 1972 по 1992 гг.), в то время как для пластин SiC и GaN он сократился в 4 раза.

     Очень важным в развитии ШЗП и любых других направлений в мире является создание стартапов при зарубежных учебных заведениях, отраслевых институтах и национальных центрах, обеспечивающих с помощью частных инвестиций и госпрограмм быстрый переход от прикладных исследований и создания технологий к освоению производства. Таких примеров в развитых странах очень много. К сожалению, в России за последние 30 лет не удастся найти ни одного подобного положительного примера. И это говорит о многом.

           Мировой рынок широкозонных полупроводников

     Оптимизм по поводу перспектив мирового рынка ШЗП растет с каждым годом. Как показывает в своих отчетах по мировому рынку французская компания YOLE Group, главным его стимулятором в настоящее время для SiC и GaN по-прежнему остается автомобильная промышленность, но все четче обозначаются новые перспективные области применения в сферах коммуникаций, промышленной, потребительской электроники, космоса и авиации  [2,3].

Рис. 2. Рост мирового рынка и сфер применения мощных GaN-приборов в 2022-2028 гг. от YOLE

По их оценке, мировой рынок SiC-приборов вырастет с 1,794 млрд долл. в 2022 г. до 8,906 млрд долл. в 2028 г. со среднегодовыми темпами 31% (рис. 1), а рынок GaN за этот же период поднимется с 184,8 млн долл. до 2,04 млрд долл. со среднегодовыми темпами 49% (рис. 2). По карбиду кремния доля автомобильного рынка более 70% за весь этот период будет значительно превышать все другие сферы его применения. 

Рис. 3. Рост долей мирового рынка SiC- и GaN-приборов в 2019-2028 гг. от YOLE

Лидерами роста на рынке GaN станут автомобильный и телекоммуникационный секторы со среднегодовыми темпами в 110% и 50% соответственно. Несмотря на циклический характер развития мирового полупроводникового рынка, когда цикл подъема через 3-5 лет сменяется падением, в прогнозах по ШЗП такого нет, и рынок все время растет. Причем по данным YOLE в своих секторах доля мирового рынка SiC- и GaN- приборов с 2019 по 2028 гг. непрерывно растет, а кремниевых продуктов – падает (рис. 3) [4]. Устойчиво растет также рынок пластин SiC, который к 2027 г. достигнет почти 2,5 млн эквивалентных 150-мм пластин (рис. 4) [5]. Такими показателями и темпами роста за такой период не обладает ни один из других типов продукции мировой полупроводниковой отрасли.

Рис. 4. Рост мирового рынка пластин SiC в 2019-2027 гг. от YOLE

            Новые горизонты сервисов и продукции с применением ШЗП

В оптимально организованной рыночной экономике компании всегда ищут способы создания новых сервисов и конкурентных продуктов. Переход к электрическому транспорту требует повышения его мобильности и запаса хода, что достигается новыми типами аккумуляторных батарей и электроникой с ШЗП. Но инновационные страны применяют и ставшей обычной в нашей жизни беспроводную быструю зарядку, где также применяется эта электроника.

Чтобы сократить время зарядки и повысить запас хода выполняется переход электромобилей на питание 800 В. Эти электромобили могут поддерживать мощную быструю зарядку мощностью более 360 кВт, что приводит к резкому росту строительства мощных зарядных станций. Более того, прогресс в области беспроводной зарядки ускоряется. В США приняли закон о поддержке беспроводной зарядки электромобилей, а в Мичигане собираются открыть 1,6-км беспроводную зарядную магистраль, способную поддерживать зарядку на ходу. Диверсификация способов зарядки потенциально может уменьшить беспокойство владельцев электромобилей по поводу запаса хода. И такие сервисы расширяют потребности в ШЗП на многие десятилетия.

     В одной из предыдущих статей по ШЗП автор отмечал преимущества алмаза для электроники систем спутниковой связи, что было важным в первую очередь для военного применения и спутниковой связи [6]. Однако высокая инновационность полупроводниковой электроники ориентирована в первую очередь на гражданское применение и это способствует быстрой коммерциализации всех ее новых достижений и применений. Именно таким направлением является только зарождающиеся стандарты связи 6G и новой технологии радиодоступа 5G New Radio (5G NR).

В настоящее время большинство операторов наземных сетей сосредоточены на предоставлении услуг 5G в районах, которые охвачены старыми технологиями и оборудованием наземной сотовой связи. К концу 2022 года в мире насчитывалось 229 коммерческих наземных сетей 5G. Однако такая связь была возможна только в зонах, охваченных соответствующим наземным оборудованием.

Новый стандарт 5G NR предусматривает передачу сигнала через низкоорбитальные спутники и интеграцию с наземной структурой. Это позволяет сочетать в новом типе смартфона все возможности спутникового и мобильного телефона в любой недоступной точке Земли. Такая возможность у некоторых пользователей уже появилась, но пока носит ограниченный характер. Кроме повышенной скорости, пропускной способности и увеличения покрытия связью этот стандарт открывает новые революционные возможности автоматизации и управления, ранее не достижимые.

Унификация спутниковых и наземных технологий 5G позволит устранить барьер между различными спутниковыми системами, что позволит конечным пользователям свободно перемещаться между наземными и внеземными сетями разных операторов. Это станет одним из самых больших преимуществ стандарта 5G NR. Процесс стандартизации 6G должен начаться в период с 2024 по 2025 гг., а внедрение первых технологий ожидается примерно в 2027-2028 гг.

 По мере развития прорывов в ключевых технологиях 6G сфера применения выходит за рамки простой интеграции сверхширокополосных приемников и передатчиков. На первый план выйдет интеграция наземных и внеземных сетей, а также инновации, внедренные с помощью искусственного интеллекта и машинного обучения. И в спутниковых системах 6G и 5G, поддерживающих 5G NR, незаменимой становится электроника на основе алмаза и других ШЗП, обеспечивающие резкое повышение пропускной способности, мобильной работоспособности и параметров связи.

      Новые горизонты применения электроники с ШЗП открывают также европейские компании STMicroelectronics и Airbus. Они подписали соглашение о сотрудничестве в области исследований и разработок силовой электроники для поддержки более эффективной и легкой силовой электроники для будущих гибридных самолетов и полностью электрических городских воздушных транспортных средств [7]. Сотрудничество основано на оценках, уже проведенных обеими компаниями для изучения преимуществ полупроводниковых материалов SiC и GaN для электрификации самолетов. Сотрудничество будет сосредоточено на разработке устройств, пакетов и модулей SiC и GaN, адаптированных для аэрокосмических приложений Airbus. Компании говорят, что они уже оценивают эти компоненты, проводя передовые исследования и испытания на демонстраторах, таких как блоки управления электронными двигателями, высоковольтные и низковольтные преобразователи энергии и беспроводные системы передачи энергии.

     С каждым годом горизонты новых применений электроники с ШЗП раздвигаются, переводя в практическую реализацию то, что вчера еще казалось только принципиально возможным. Еще одно знаковое событие 2023 г. связано с началом массового производства американской компанией NexGen Power Systems первых в мире вертикальных транзисторов GaN-on-GaN E-Mode Fin-JFET на 1200 В [8]. Они работают на частоте переключения до 10 МГц и способны выдерживать лавинообразное напряжение 1470 В и предназначены для автомобильной промышленности, центров обработки данных, светодиодного освещения и промышленного применения.

  Рост слияний, поглощений компаний и расширений  производственных мощностей на рынке ШЗП

     Рост количества слияний, поглощений и покупок компаний является лучшим подтверждением перспективности новых направлений. С 2006 по 2017 г. в мире происходила всего одна подобная трансакция в два года, а с 2018 г. ежегодно происходит по шесть таких процедур (таблица 1) [9]. Из 31 сделки с 2006 г. 21 напрямую связана с карбидом кремния. И основная причина в том, что технология SiC стала главной для автомобильной промышленности в связи с ростом производства электрического транспорта. Как видно, крупные компании Infineon, STM, OnSemi, II-VI, Wolfspeed за счет покупки и трансакций ускоряют процесс вертикальной интеграции своего бизнеса как с помощью организации производства пластин SiC, так и приобретения профильных компаний и стартапов по разработке продукции.

Таблица 1. Слияния и поглощения компаний на мировом на рынке SiC

 Особенно следует отметить покупку европейским грандом Infineon одной из наиболее успешных в GaN-бизнесе канадской компании GaN Systems за 830 млн долл. [10]. На сегодняшний день это одна из самых крупных сделок в секторе силовой электроники, а цена покупки в размере 830 миллионов долларов США — около 18% от общего годового дохода Infineon Technologies от силовой электроники — в 4 раза превышает стоимость всего силового GaN рынка по состоянию на 2022 г.

Ведущая компания в области силовой электроники, инвестирующая столь значительные средства в относительно молодую компанию с относительно небольшим годовым доходом, является важным шагом, свидетельствующим о желании Infineon извлечь выгоду из потенциала роста GaN и укрепить свое лидерство в области силовой электроники. GaN Systems, основанная в 2008 году, имеет штаб-квартиру в Оттаве и насчитывает более 200 сотрудников. Ранее компания привлекла более 170 млн долл. внешнего финансирования и имеет контракт с японской компанией ROHN, прямым конкурентом Infineon. GaN Systems не имеет собственного производства чипов и размещала его в сторонних компаниях, но теперь сможет использовать ресурсы Infineon.

     Заслуживает внимания поглощение французской Ommic американской компанией MACOM [11]. Ommic специализируется на разработке СВЧ ИС по технологиям GaAs и GaN. В июле этого года во Франции задержали девятерых представителей руководства компании Ommic по подозрению в незаконной передаче технологий Китаю и России, а также поставке им продукции в обход действующих санкций [12].

 Первые подозрения появились в январе 2021 г. после перехвата партии из 844 чипов, относящихся к технологиям двойного назначения, которые направлялись в Китай, и которые компания не задекларировала должным образом. Позже следствие выявило целую сеть поставок подобных товаров не только в Китай, но и в Россию, причем как через Китай, так и через другие страны, в том числе Литву и Бельгию.

Особую обеспокоенность французских властей вызвал тот факт, что 94% акций компании якобы контролировал 64-летний китайский бизнесмен через основанные во Франции фирмы. Утверждается, что он поставил на ключевые посты близких ему людей и даже отправлял работать в Китай французских инженеров, а также якобы создал в Китае аналогичную компанию, занимающуюся разработками в той же сфере. 

     Еще один пионер GaN-бизнеса американская компания Navitas Semiconductor решила диверсифицировать и расширить его через приобретение компании GeneSiC — специалиста по дизайну SiC-изделий [13]. Разработчики и производители оборудования также положительно оценивают перспективы широкозонных полупроводников и покупают специализированные компании по эпитаксии, ионной имплантации, шлифовке, тестированию.  

Крупные полупроводниковые гранды также расширяют производственные мощности по ШЗП. Infineon Technologies выделяет 5 млрд евро на строительство в Малайзии самой крупной в мире фабрики для 200-мм пластин SiC [14], а STMicroelectronics уже строит завод в Италии по производству исходных пластин карбида кремния стоимостью 730 млн евро [15], а сейчас планирует начать строительство в той же Италии завода стоимостью 5 млрд евро для выпуска SiC-чипов [16].

    В связи с сильным ростом рынка SiC-продуктов начинает ощущаться нехватка в исходных и эпитаксиальных пластинах. Это вынуждает производителей чипов переходить к вертикальной интеграции бизнеса в своих компаниях и заключать долгосрочные контракты на поставки пластин SiC, что раньше так массово не практиковалось.

Японская компания Renesas Electronics подписала 10-летнее соглашение с Wolfspeed на сумму 2 млрд долл. на поставку исходных и эпитаксиальных SiC-пластин диаметром 150 и 200 мм [17]. Долгосрочные контракты стараются также заключать потребители полупроводниковых приборов SiC, применяющие их в силовых автомобильных блоках.

Производитель инверторов Vitesco Technologies заявил, что обеспечил до 2030 г. стратегически важные мощности своего производства через заключение контракта на сумму более 1 млрд долл. с ROHM — поставщиком чипов SiC [18]. Японские компании Denso и Mitsubishi Electric инвестируют по 500 млн долл. каждая в поставщика 150-мм и 200-мм подложек и эпитаксиальных пластин из карбида кремния — компанию Coherent в обмен на 12,5% неконтролирующей доли в бизнесе, а Coherent будет владеть оставшимися 75% [19]. Обе японские компании являются поставщиками Toyota Motors.

     Однако тенденции долгосрочного согласования и распределения поставок пластин карбида кремния имеют и обратную негативную сторону. Они показывают, что исходные и эпипластины SiC будут являться ограничивающим фактором в 2024 г. для наращивания производства и поэтому заранее резервируются производителями чипов. А это в свою очередь подтверждает, что значительное снижение их цены в течение 2024 г. и ближайших нескольких лет вряд ли произойдет и потребуются другие методы снижения стоимости чипов.

Таким классическим способом в полупроводниковой отрасли для кремния давно являлось уменьшение размеров чипов с помощью новых технологий. Одной из них стало внедрение щелевой trench-технологии во всех категориях приборов от простых диодов, MOSFET и IGBT транзисторов до суперсложных БИС. Поэтому, увеличение расходов на НИОКР по trench-технологии, помимо увеличения диаметра пластин, станет источником снижения себестоимости и цен на продукцию ШЗП.

     Один из мировых грандов производства по самым современным технологиям 12-28 нм компания GlobalFoundries (GF) в партнерстве с правительством США приближается к крупномасштабному производству чипов нового поколения на основе нитрида галлия [20]. GF получила федеральное финансирование в размере 35 млн долл. от правительства США для ускорения производства продукции по технологии GaN-на-кремни на своем предприятии в Эссекс-Джанкшен, штат Вермонт.

Финансирование приближает GF к крупномасштабному производству чипов GaN для сотовой связи 5G и 6G для инфраструктуры и мобильных телефонов, автомобильного и промышленного интернета вещей, электросетей и другой критически важной инфраструктуры. Благодаря новому финансированию, которое было предоставлено Управлением программы доверенного доступа (TAPO) Министерства обороны США, GF планирует приобрести дополнительное оборудование для расширения возможностей разработки и прототипирования, приближаясь к крупномасштабному производству 200-мм чипов GaN-на-кремнии. В рамках инвестиций компания заявляет, что планирует внедрить новые возможности для снижения рисков GF и ее клиентов уже происходящим ограничениям цепочки поставок галлия.

      Компания OnSemi является наиболее ярким примером внутренней интеграции для производства SiC-продуктов по всему их технологическому циклу.  OnSemi в сентябре 2023 г. завершила строительство и ввод в эксплуатацию на своем заводе в южнокорейском Пучхоне новой линии по производству 150-200-мм пластин карбида кремния мощностью 1 млн пластин в год [21]. Вначале будут производиться 150-мм пластины, а с 2025 г. линия будет переведена на 200 мм и количество персонала в течение ближайших трех лет будет увеличено на 1 тыс. человек с нынешних 2300 сотрудников.

    Санкционная война затронула и рынок ШЗП. Китай ввел санкции на экспорт сырья галлия и германия, по которым доля Китая на мировом рынке составляет 80-90% и 60% соответственно и все китайские поставщики этих материалов должны будут получать экспортные лицензии, что сильно усложнит их поставки в США и другие страны. Уже в августе это привело к росту цен на галлий на мировом рынке на 50%, но пока не до конца понятно, как это отразится на мировом рынке пластин нитрида и арсенида галлия, особенно для американских и европейских компаний.

     Транзисторы SiC всех типов теснят кремниевые IGBT  

 Кремниевые IGBT исторически используются в приводах двигателей постоянного и переменного тока из-за их способности выдерживать высокие токи, быстрой скорости переключения и низкой стоимости.  Они имеют высокое нормируемое напряжение и низкое падение напряжения, что делает их хорошим выбором для применения в разных областях. 

Однако одним существенным недостатком Si IGBT является то, что они очень чувствительны к температуре эксплуатации и когда температура устройства неконтролируемо возрастает, то это приводит к его выходу из строя. В приложениях с приводами двигателей, где используются высокие токи, напряжения и условия эксплуатации, например, в электромобилях или в непрерывном производственном цикле, это может представлять значительный риск. Эти недостатки могут быть устранены применением SiC- транзисторов.  Все категории таких транзисторов, включая классические SiC MOSFET, полевые транзисторы с управляющим переходом SiC JFET и биполярные SiC BJT благодаря более высоким скоростям переключения, рабочей частоте, и термостабильности и низким потерям показывают лучшие результаты применения в сравнении с кремниевыми IGBT.

     На рис. 5 показаны совокупные потери включения и выключения транзисторов Si IGBT, SiC MOFET и JFET с нормируемым напряжением 1200 В в зависимости от рабочего тока [22]. При низких токах различие между ними не очень значительное. Но при повышении рабочего тока SiC MOFET и нормально выключенный JFET снижают потери на 70-80%.

Рис. 5. Общие потери переключения Si IGBT, SiC MOSFET, нормально включенных и нормально выключенных SIC JFET транзисторов

Карбидокремниевый BJT имеет очень низкое напряжение насыщения Vcesat, что позволяет снизить потери мощности более чем на 60% по сравнению с технологией Si IGBT с той же площадью кристалла. SiC BJT демонстрируют очень хорошую устойчивость к высоким температурам и испытаниям при температуре до более чем 250°C, а также при температуре до -80°C.

   Похожие результаты по потерям при включении и выключении получены для изделий с высоким обратным напряжением при измерении переключения SiC BJT на 10 кВ в сравнении с Si IGBT на 6,5 кВ от ABB, представленные в таблице 2  [23]. Видно, что BJT SiC достигает в 19 раз меньших потерь энергии включения и в 25 раз меньших потерь энергии выключения по сравнению с кремниевым IGBT, несмотря на работу при более высокой температуре 150°C по сравнению с 125°C для Si IGBT.

Таблица 2. Сравнение потерь переключения Si IGBT и SiC BJT транзистора

     Благодаря этим преимуществам в ближайшие годы широкозонные транзисторы будут устойчиво вытеснять на рынке их кремниевые аналоги, как показано на рис. 3. Подобное давно происходит с кремниевыми СВЧ LDMOS транзисторами, уступающими рынок SiC- и GaN-аналогам.

3DGaN FinFET технология

   В современной кремниевой КМОП интегральной микроэлектронике FinFET архитектура транзисторов является главной в техпроцессах от 22 до 3 нм. Но еще год назад было невозможно представить, что так быстро ее можно перенести в GaN-техпроцесс. Finwave Semiconductor, стартап из Массачусетского технологического института, первым разработал и запатентовал технологию 3DGaN (рис. 6 а)  [24]. «Технология 3DGaN FinFET является результатом более чем 10-летних исследований и разработок, первоначально разработанных в Массачусетском технологическом институте и отмеченных в 2012 году престижной премией Джорджа Смита IEEE Electron Device Society», — отметил Бин Лу, генеральный директор и соучредитель Finwave. «Решив многочисленные производственные задачи и успешно создав производственный процесс с использованием стандартных 8-дюймовых кремниевых КМОП-процессов, Finwave лидирует в коммерциализации технологии 3DGaN для 5G», — добавил он.

a)

б)

Рис. 6. 3DGaN FinFET транзистор Finwave Semiconductor (а) и достигаемое улучшение линейности усилителей мощности с его применением (б)

Этот процесс может быть внедрен на 200-мм пластинах GaN-on-Si на фабриках по производству КМОП изделий. Finwave Semiconductor) привлекла 12,2 млн долл. финансирования после получения гранта в размере 4,3 млн долл. от правительства США. Деньги будут использованы для доведения технологии 3DGaN FinFET до массового производства. В компании отмечают, что технология Finwave стремится произвести революцию в энергоэффективных коммуникациях 5G/6G, центрах обработки данных, автомобилестроении, IoT и многом другом. Она позволяет в 10 раз повысить мощность 5G усилителей мощности, улучшить в 10 раз линейность и на 80% снизить затраты (рис. 6 б) [25]. Более высокая линейность GaN усилителей означает их более высокую эффективность, меньшее рассеивание тепла и более длительное время автономной работы.

    GaN всегда будет лучше с точки зрения энергопотребления, чем конкуренты, такие как кремниевые MOSFET и гетеропереходные биполярные транзисторы (HBT) на основе фосфида индия (InP), которые являются конкурентами для приложений на частоте 100 ГГц, таких как 6G. Для работы на частоте 100 ГГц необходимо масштабирование и уменьшение размеров транзисторов и транзисторная архитектура 3DGaN Finwave лучше всего подходит для этого. Finwave заявила, что ее технология подавляет эффект короткого канала в усилителях и позволяет непрерывно масштабировать транзисторы GaN от 130 нм до более низких проектных норм на 200- и 300-мм пластинах.

                         Пластины алмаза от DIAMFAB

     Образование и стремительный рост стартапов является очень характерным для новых направлений материалов и приборов. К таким относится и компания DIAMFAB, базирующаяся в французском Гренобле и являющейся дочерней компанией Французского национального центра научных исследований (CNRS) [26]. Она основывается на 30-летних исследованиях в области выращивания высококачественных синтетических алмазов, проводимых командой Institut Néél-CNRS по широкозонным полупроводникам. Проект DIAMFAB был основан в 2016 г., а стартап был зарегистрирован в 2019 г.

По заявлениям DIAMFAB алмаз обладает тремя ключевыми преимуществами по сравнению с существующими полупроводниковыми материалами: управление температурой, оптимизация затрат и эффективности и сокращение выбросов CO2. В отличие от большинства полупроводников, у алмаза происходит уменьшение удельного сопротивления с повышением температуры.

Таким образом, устройства, изготовленные из этого материала, лучше работают при температуре 150°C (типичная рабочая температура для силовых устройств), чем при комнатной температуре. Алмаз также хорошо рассеивает тепло. Благодаря этим особенностям преобразователи, изготовленные из алмаза, могут быть в 5 раз легче и меньше, чем решения на основе кремния, и в 3 раза легче и меньше, чем преобразователи на основе SiC.

   Если основное внимание уделяется снижению стоимости устройства, можно спроектировать чип из алмаза, который на 30% дешевле, чем чип из карбида кремния, потому что алмазный чип имеет в 50 раз меньшую площадь, чем эквивалентный из карбида кремния, при тех же электрических характеристиках и эффективности, но с лучшим управлением температурой – утверждают в DIAMFAB.

   Если основное внимание уделяется эффективности, алмаз может сократить потери энергии в три раза по сравнению с SiC, но с чипом в 4 раза меньше, что позволяет напрямую экономить энергопотребление.

   Если основное внимание уделяется объему и весу системы, то, позволяя увеличить частоту переключения, алмазные устройства могут уменьшить объем пассивных компонентов в четыре раза по сравнению с преобразователями на основе карбида кремния. Все эти преимущества являются незаменимыми при использовании изделий из алмаза в спутниковом оборудовании.    Электромобильность является приоритетным сегментом для DIAMFAB, и недавно она подала заявку на патент на полностью алмазный конденсатор для электромобилей.

Идея полностью алмазного конденсатора возникла, когда производитель промышленных конденсаторов заявил, что ищет пассивно-компонентное решение для защиты активных компонентов на основе SiC и GaN, таких как диоды и транзисторы, поскольку активные устройства подвергались пикам напряжения, которые были выше, чем они могли выдержать (более 1500 В). Такая необходимость особенно актуальна в связи с переходом питания электромобилей на 800 В.

     Компания определила двойную бизнес-модель, в соответствии с которой она будет продавать свои технологии как напрямую, так и через стратегические партнерства и альянсы, ориентированные на приложения. Во-первых, DIAMFAB планирует продавать алмазные пластины с высокой добавленной стоимостью и производственные процессы для алмазных компонентов производителям интегрированных устройств. Во-вторых, DIAMFAB намерена продавать высокопроизводительные алмазные устройства напрямую конечным пользователям на основе подхода к совместной разработке.

     Как считают в компании увеличение диаметра пластины с 0,5 дюйма до 4 дюймов может позволить DIAMFAB достичь конкурентоспособности, необходимой для автомобильного рынка. По мнению компании важным также является то, что производство алмазных пластин в 20 раз снижает выбросы CO2 в сравнении с карбидом кремния.                              

       Оксид галлия

     Как утверждает TrendForce [27], рост числа приложений, требующих высокого напряжения, высокой температуры и высокой частоты, продолжает расти, и оксид галлия (Ga₂O₃) становится сильным соперником для силовых полупроводниковых устройств следующего поколения.

Это особенно актуально в таких секторах, как электромобили, электросетевые системы и аэрокосмическая промышленность. По сравнению с карбидом кремния и нитридом галлия, выращенными из газовой фазы, кристаллы оксида галлия могут быть получены с использованием методов выращивания расплава, аналогичных тем, которые используются для кристаллов кремния.

Рис. 7. Мировой рынок новых полупроводниковых подложек в 2022-2028 гг. от YOLE

Это дает больший потенциал для снижения затрат. Хотя автор данной статьи готов поспорить с этим утверждением. В настоящее время промышленность реализовала массовое производство 4-дюймовых пластин оксида галлия, а в ближайшие годы планирует расширить производство до 6-дюймовых.

В то же время были достигнуты значительные успехи в структурном проектировании и процессах изготовления диодов Шоттки и транзисторов на основе материалов из оксида галлия. Ожидается, что первая партия диодов Шоттки появится на рынке к 2024 году, потенциально став первыми коммерческими компонентами питания на основе оксида галлия. Несмотря на то, что оксид галлия по-прежнему сталкивается с такими проблемами, как плохая теплопроводность и отсутствие легирования P-типа, ожидается, что с привлечением крупных игроков в энергетической полупроводниковой промышленности и расширением ключевых приложений, коммерциализация не за горами.

     В июле 2023 г. произошло довольно знаковое событие в зарождающемся бизнесе оксида галлия. Японская компания Mitsubishi Electric объявила о приобретении еще одной японской компании Novel Crystal Technology (NCT) [28]. NCT была основана в 2012 г. Национальным институтом информационных и коммуникационных технологий (NICT) и Tamura Corporation [29].

В NICT был представлен первый монокристаллический транзистор β-галлия на оксиде галлия с напряжением пробоя, превышающим 250 В. В том же году NCT совершила прорыв в 2-дюймовых пластинах оксида галлия и технологии эпитаксии, а затем в 2014 г. наладила массовое производство материалов из Ga2O3.

В 2017 г. в сотрудничестве с корпорацией Tamura они успешно разработали первый в мире силовой МОП-транзистор на основе оксида галлия, значительно снизив энергопотребление до одной тысячной по сравнению с традиционными МОП-транзисторами. В 2019 г. они разработали 2-дюймовые пластины β-оксида галлия. В 2021 г. NCT успешно наладила серийное производство 4-дюймовых пластин на основе оксида галлия и начала поставлять их клиентам, установив лидирующие позиции Японии в гонке составных полупроводников третьего поколения. В настоящее время NCT является единственной компанией в мире, выпускающей серийно 100-мм монокристаллические пластины β-Ga2O3.

NCT планирует поставлять 150-мм пластины к 2023-2024 гг. и это будет очень серьезный прорыв в данной сфере в мире, направленный на снижение стоимости чипов из оксида галлия. Сам факт покупки NCT компанией Mitsubishi Electric говорит о многом. В настоящее время материалы на основе оксида галлия и технологии их применения находятся на промежуточной стадии перехода от научных достижений к коммерческому применению. Будущие перспективы оксида галлия многообещающие, и несколько компаний предпринимают шаги, чтобы извлечь выгоду из этого потенциала. Mitsubishi Electric, много лет работающая в сфере продуктов SiC, тоже хорошо понимает это и вкладывается в новое направление именно сейчас.

     Но в то же время не следует ожидать очень быстрых темпов коммерциализации оксида галлия. Прикладные исследования по нему стартовали позднее чем для нитрида галлия и, тем более карбида кремния.  Кроме снижения стоимости технологии и продуктов предстоят большие научные и прикладные работы по их доработке и оптимизации.   По данным YOLE Group в 2022 г. мировой рынок пластин оксида галлия составлял всего 2 млн долл., а до 2028 г. он будет расти со среднегодовыми темпами 16% и в 2028 г. достигнет показателя 6 млн долл. (рис. 7) [30].

  а) б)

Рис. 8. Trench-конструкция нового материала (IrGa)2O3 (а) и структура диода с его применением (б) от компании FLOSFIA

     Еще одно важное событие произошло в технологии производства пластин оксида галлия. Одним из основных недостатков технологии оксида галлия считалась сложность получения в нем областей p-типа. В марте 2023 г. японские компании FLOSFIA Inc. и JSR Corporation объявили о совместной разработке нового материала для пленочного осаждения на основе иридия в качестве решения для массового производства оксида галлия иридия (альфа-(IrGa)₂O₃).

Это первый в мире силовой полупроводник p-типа разработан компанией FLOSFIA для использования в сочетании с оксидом галлия корундового типа (альфа-Ga₂O₃).  Оксид иридия-галлия, используемый в сочетании с оксидом галлия, был успешно продемонстрирован в структуре траншейной конструкции диода (рис. 8 а, б) [31].

    Появилось сообщение о создании и первой демонстрации флэш-памяти на Ga₂O₃, выращенном методом импульсного лазерного осаждения на сапфировой подложке [32]. Оно пока выглядит экзотически, но именно с таких исследований начинается расширение горизонтов применения новых материалов и технологий.

    В сентябре в российских средствах массовой информации было опубликовано короткое сообщение о том, что отечественная компания «Рокор» из состава ОЭЗ «Технополис Москва» разработала новую технологию производства монокристаллических пластин из оксида галлия [33]. К сожалению, сообщение носит больше рекламный характер и никакой подробной информации по достигнутым параметрам в результате этой разработки нет.

И одним из главных является размер и диаметр полученных слитков и пластин. Если он будет меньше 76-100 мм, то даже при решении всех технических вопросов, уже разрекламированные перспективы его поставки на мировой рынок проблематичны, поскольку там уже представлены 100-мм и анонсированы 150-мм пластины. Но для внутреннего применения это будет достижением. Насколько полученные результаты будут соответствовать необходимым требованиям можно будет судить только после появления новой более подробной информации.

                                      Выводы

1. Мировой рынок продукции на основе ШЗП является самым динамично и устойчиво развивающимся среди продукции полупроводниковой микроэлектроники, не снижающимся даже в период кризиса.
2. Темпы роста и сроки освоения новых продуктов ШЗП и особенно эволюция увеличения диаметра пластин на мировом рынке заметно превосходят исторические этапы развития кремниевой продукции.
3. С каждым годом открываются новые сферы применения ШЗП в космической, авиационной, коммуникационной областях, гарантирующих рост их рынка в средне- и долгосрочной перспективе.
4. Вследствие роста рынка ШЗП в мировой полупроводниковой отрасли в последние годы, резко ускорились процессы внутренней интеграции производства, слияния и поглощения крупными компаниями специализированных предприятий и стартапов по ШЗП. Полупроводниковые многопрофильные гранды Infineon, STM, OnSemi, Renesas, GlobalFoundries и др. активно расширяют свой бизнес по ШЗП, подтверждая его перспективы.
5. Разработка технологии 3DGaN FinFET проложила направление масштабирования техпроцессов ШЗП в область менее 100 нм и их интеграции и универсализации с самой передовой современной КМОП FinFET технологией.
6. Все типы биполярных и полевых SiC-транзисторов демонстрируют преимущества по потерям, скорости переключения, рабочей частоте по сравнению с кремниевыми IGBT-транзисторами, что по мере снижения цены SiC-аналогов приведет к постепенному вытеснению кремниевых IGBT на рынке силовой электроники.
7. Прогресс технологии получения и увеличения диаметра пластин алмаза до 100 мм и оксида галлия до 150 мм обещает усиление их рыночных позиций и снижение цен продукции на их основе, а также переход от исследований к началу серийного производства.
8. Получены положительные результаты исследований японской компанией FLOSFIA по технологии формирования областей p-типа в оксиде галлия, что является одним из самых больших и ограничивающих недостатков оксида галлия.

                                                      Литература

1. Дмитрий Боднарь. Полупроводниковая микроэлектроника – 2022 г. Часть 2. Широкозонные полупроводники – мировые фавориты в новых производствах     и научных разработках. Электронные компоненты. 2023. №1.
2. Power SiC 20213. YOLE Group. August 2023//www.yolegroup.com.
3. Power GaN 2023. YOLE Group. August 2023//www.yolegroup.com.
4. Power SiC and GaN Compound Semiconductor Market Monitor Q3 2023. September 2023//www.yolegroup.com.
5. Power SiC/GaN CS Market Monitor Q1 2023. March 2023//www.yolegroup.com.
6. Дмитрий Боднарь. Полупроводниковая микроэлектроника – 2020 г. Часть 5. Широкозонные полупроводники как главный инструмент повышения энергоэффективности электроники. Электронные компоненты. 2021. №4.
7. Airbus and STMicroelectronics collaborate on power electronics for aircraft electrification. Airbus. June 20, 2023//www.airbus.com.
8. NexGen Announces Production Availability of World’s First 700V and 1200V Vertical GaN Semiconductors with Highest Switching Frequencies. NexGen Power Systems// com.
9. The battle for SiC – the market landscape continues to change. Evertiq. June 29, 2023//evertiq.com.
10. Infineon completes acquisition of GaN Systems, becoming a leading GaN power house. Infineon Technologies AG. October 24, 2023//www.infineon.com.
11. MACOM completes acquisition of OMMIC. Semiconductor Today. June 1, 2023//semiconductor-today.com.
12. Франция арестовала топ-менеджмент «ИТ-гордости» за передачу России и Китаю технологий выпуска чипов. Время электроники. 07.2023 //russianelectronics.ru.
13. Navitas acquires GeneSiC, accelerating entry into EV, solar and energy storage markets by 2-3 years. Semiconductor Today. August 16, 2022//semiconductor-today.com.
14. Infineon to build the world’s largest 200-millimeter SiC Power Fab in Kulim, Malaysia, leading to total revenue potential of about seven billion euros by the end of the decade. Infineon Technologies. August 3, 2023//www.infineon.com.
15. STMicroelectronics to build integrated Silicon Carbide substrate manufacturing facility in Italy. STMicroelectronics. October 5, 2022//st.com.
16. STMicroelectronics will build a chip factory in Italy for 5 billion euros. Tech News Space. October 2023//technewsspace.com.
17. Renesas and Wolfspeed Sign 10 Year Silicon Carbide Wafer Supply Agreement. Renesas Electronics Corp. July 5, 2023// renesas.com.
18. Vitesco Technologies and ROHM have signed a long-term SiC supply partnership. ROHM Semiconductor. June 19, 2023//www.rohm.com.
19. Coherent’s Silicon Carbide Semiconductor Business to Receive in Investments from DENSO and Mitsubishi Electric. Coherent Corp. October 10, 2023 //www.coherent.com.
20. GlobalFoundries Awarded $35 Million Funding from U.S. Government to Accelerate Manufacturing of Next-Generation GaN Chips. GlobalFoundries. October 18, 2023//gf.com. 
21. OnSemi Completes Expansion of Silicon Carbide Production Facility in Bucheon, South Korea. OnSemi. October 24, 2023//onsemi.com.
22. Comparison of switching performance for commercial Silicon Carbide power devices. Power Electronics News. November 28, 2022// powerelectronicsnews.com.
23. 10 kV SiC BJTs – static, switching and reliability characteristics. Proceedings of the 25th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs, Kanazawa. GeneSiC Semiconductor, Inc.
24. Finwave to Push GaN Technology Boundaries. EE Times Europe. October 17, 2023//www.eetimes.eu. 
25. Finwave Semiconductor, Inc.  finwavesemi.com.
26. DIAMFAB, an innovative company expert in electronic grade diamond. DIAMFAB. Diamfab.com.
27. TrendForce 2024: Riding the Wave of Revolutionary Tech Trends. TrendForce Corp. October 17, 2023//www.trendforce.com.
28. Mitsubishi Electric Buys Stake in Novel Crystal Technology to Accelerate Development of Gallium-oxide Power Semiconductors. Mitsubishi Electric Corp. July 28, 2023//www.MitsubishiElectric.com.
29. Novel Crystal Technology Inc. novelcrystal.co.jp.
30. Emerging Semiconductor Substrates 2023. YOLE Group. June 2023 //www.yolegroup.com.
31. FLOSFIA and JSR progress toward practical use of the world’s first P-type semiconductor, Iridium Gallium Oxide. FLOSFIA. March 15, 2023//flosfia.com.
32. Gallium oxide flash memory. Semiconductor Today. July 6, 2023//semiconductor-today.com.
33. Россияне освоили революционный метод производства пластин для выпуска микросхем. Он в два раза дешевле иностранного. CNews. 27 сентября 2023 г.//www.cnews.ru.

Размещение статей, рекламы, подписка на журнал: anton.denisov@ecomp.ru; 7 (916) 716-13-53