Широкозонные полупроводники (ШЗП) развиваются стремительными темпами, заметно превосходящими исторические этапы кремния. Мировой рынок полупроводниковых продуктов карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) устойчиво растет даже во время мирового кризиса и каждый год открывает новые горизонты применения ШЗП. Продолжается вертикальная интеграция производства в крупных мировых компаниях и увеличение производственных мощностей ШЗП. Новые технологии 3DGaN FinFET, алмаза, оксида галлия формируют перспективу будущих продуктов ШЗП.
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
Регион |
Приобретающая компания |
Год |
Приобретаемая компания |
Основной бизнес |
США |
Wolfspeed |
2006 |
Intrinsic Semiconductor |
Подложки SiC |
2016 |
WATER |
Силовые модули SiC |
||
2018 |
Infineon (подразделение по СВЧ) |
СВЧ приборы GaN-на-SiC |
||
On Semi |
2021 |
GTAT |
Слитки SiC |
|
II-VI |
2020 |
INNOViON Corporation |
Ионная имплантация |
|
2020 |
Ascatron AB |
Эпитаксия SiC |
||
Qorvo |
2021 |
UnitedSiC |
Разработка силовых приборов SiC |
|
Transphom |
2021 |
AFSW |
Изготовление пластин GaN |
|
MACOM |
2023 |
OMMIC SAS |
Производство GaN и GaAs |
|
Veeco |
2023 |
Epiluvac AB |
Эпитаксиальное оборудование |
|
Navitas |
2022 |
GeneSiC |
Разработка приборов SiC |
|
Littelfuse |
2018 |
Monolith Semiconductor |
Разработка силовых приборов SiC |
|
Европа |
ST |
2019 |
Norstel AB |
Изготовление пластин SiC |
2020 |
Exagan |
Разработка силовых приборов GaN |
||
Infineon |
2018 |
Siltectra GmbH |
Холодная резка пластин SiC |
|
2023 |
GaN Systems |
Решения для преобразования энергии GaN |
||
Soitec |
2019 |
EpiGaN |
Эпитаксия GaN |
|
2021 |
NOVASiC |
Полировка пластин SiC |
||
BelGan |
2022 |
On Semi (фабрика в Бельгии) |
Изготовление пластин GaN |
|
ASM |
2022 |
LPE |
Эпитаксиальное оборудование SiC |
|
Япония |
Showa Denko |
2008 |
ESICAT Japan LLP |
Эпитаксия SiC |
2017 |
Nippon Steel Sumitomo Metals |
Выращивание кристаллов SiC методом PVT |
||
Rohm |
2009 |
SiCrystal |
Подложки SiC |
|
|
Kyocera |
2020 |
SLD Laser |
Лазерный источник GaN |
Advantest |
2022 |
CREATES |
Испытания полупроводников |
|
Южная Корея |
SK Group |
2019 |
DuPont (подразделение по SiC) |
Подложки SiC |
2021 |
Yes Power |
Разработка и изготовление SiC |
||
LX Semicon |
2021 |
LG Innotek |
Разработка силовых приборов SiC |
|
IV Works |
2022 |
Saint-Gobain |
Подложки GaN |
|
Китай |
China Resources Micro |
2022 |
Runxin Micro |
Разработка и изготовление приборов GaN |
Jingfang Technology |
2023 |
VisIC (доля 51,7%) |
Разработка силовых приборов GaN |
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
Прибор |
Обратное напряжение, Vbr |
Ток коллектора, Ic |
Температура, oC |
Энергия потерь вкл. Eon, мДж |
Энергия потерь выкл. Eoff, мДж |
SiC BJT |
10 кВ |
8 А |
150 oC |
4,2 |
1,6 |
Si IGBT |
6,5 кВ |
10 А |
125 oC |
80 |
40 |
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
- Мировой рынок продукции на основе ШЗП является самым динамично и устойчиво развивающимся среди продукции полупроводниковой микроэлектроники, не снижающимся даже в период кризиса.
- Темпы роста и сроки освоения новых продуктов ШЗП и особенно эволюция увеличения диаметра пластин на мировом рынке заметно превосходят исторические этапы развития кремниевой продукции.
- С каждым годом открываются новые сферы применения ШЗП в космической, авиационной, коммуникационной областях, гарантирующих рост их рынка в средне- и долгосрочной перспективе.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- Дмитрий Боднарь. Полупроводниковая микроэлектроника – 2022 г. Часть 2. Широкозонные полупроводники – мировые фавориты в новых производствах и научных разработках. Электронные компоненты. 2023. №1.
- Power SiC 20213. YOLE Group. August 2023//www.yolegroup.com.
- Power GaN 2023. YOLE Group. August 2023//www.yolegroup.com.
- Power SiC and GaN Compound Semiconductor Market Monitor Q3 2023. September 2023//www.yolegroup.com.
- Power SiC/GaN CS Market Monitor Q1 2023. March 2023//www.yolegroup.com.
- Дмитрий Боднарь. Полупроводниковая микроэлектроника – 2020 г. Часть 5. Широкозонные полупроводники как главный инструмент повышения энергоэффективности электроники. Электронные компоненты. 2021. №4.
- Airbus and STMicroelectronics collaborate on power electronics for aircraft electrification. Airbus. June 20, 2023//www.airbus.com.
- NexGen Announces Production Availability of World’s First 700V and 1200V Vertical GaN Semiconductors with Highest Switching Frequencies. NexGen Power Systems// com.
- The battle for SiC – the market landscape continues to change. Evertiq. June 29, 2023//evertiq.com.
- Infineon completes acquisition of GaN Systems, becoming a leading GaN power house. Infineon Technologies AG. October 24, 2023//www.infineon.com.
- MACOM completes acquisition of OMMIC. Semiconductor Today. June 1, 2023//semiconductor-today.com.
- Франция арестовала топ-менеджмент «ИТ-гордости» за передачу России и Китаю технологий выпуска чипов. Время электроники. 07.2023 //russianelectronics.ru.
- Navitas acquires GeneSiC, accelerating entry into EV, solar and energy storage markets by 2-3 years. Semiconductor Today. August 16, 2022//semiconductor-today.com.
- 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.
- STMicroelectronics to build integrated Silicon Carbide substrate manufacturing facility in Italy. STMicroelectronics. October 5, 2022//st.com.
- STMicroelectronics will build a chip factory in Italy for 5 billion euros. Tech News Space. October 2023//technewsspace.com.
- Renesas and Wolfspeed Sign 10 Year Silicon Carbide Wafer Supply Agreement. Renesas Electronics Corp. July 5, 2023// renesas.com.
- Vitesco Technologies and ROHM have signed a long-term SiC supply partnership. ROHM Semiconductor. June 19, 2023//www.rohm.com.
- Coherent’s Silicon Carbide Semiconductor Business to Receive in Investments from DENSO and Mitsubishi Electric. Coherent Corp. October 10, 2023 //www.coherent.com.
- GlobalFoundries Awarded $35 Million Funding from U.S. Government to Accelerate Manufacturing of Next-Generation GaN Chips. GlobalFoundries. October 18, 2023//gf.com.
- OnSemi Completes Expansion of Silicon Carbide Production Facility in Bucheon, South Korea. OnSemi. October 24, 2023//onsemi.com.
- Comparison of switching performance for commercial Silicon Carbide power devices. Power Electronics News. November 28, 2022// powerelectronicsnews.com.
- 10 kV SiC BJTs – static, switching and reliability characteristics. Proceedings of the 25th International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs, Kanazawa. GeneSiC Semiconductor, Inc.
- Finwave to Push GaN Technology Boundaries. EE Times Europe. October 17, 2023//www.eetimes.eu.
- Finwave Semiconductor, Inc. finwavesemi.com.
- DIAMFAB, an innovative company expert in electronic grade diamond. DIAMFAB. Diamfab.com.
- TrendForce 2024: Riding the Wave of Revolutionary Tech Trends. TrendForce Corp. October 17, 2023//www.trendforce.com.
- 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.
- Novel Crystal Technology Inc. novelcrystal.co.jp.
- Emerging Semiconductor Substrates 2023. YOLE Group. June 2023 //www.yolegroup.com.
- FLOSFIA and JSR progress toward practical use of the world’s first P-type semiconductor, Iridium Gallium Oxide. FLOSFIA. March 15, 2023//flosfia.com.
- Gallium oxide flash memory. Semiconductor Today. July 6, 2023//semiconductor-today.com.
- 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