В Российской Федерации разработали и успешно протестировали первую отечественную промышленную установку для производства кристаллов нитрида галлия на кремниевых подложках. Это одна из ключевых технологий в производстве компонентов силовой и сверхвысокочастотной микроэлектроники.
Транзисторы на основе нитрида галлия способны работать с высокими токами, напряжениями и при повышенных температурах. Такие устройства широко используются в машиностроении, промышленной электронике и бытовой технике.
Россия стала четвёртой страной в мире, которая начала производство оборудования такого уровня. По своим характеристикам разработка превосходит зарубежные аналоги.
Планируется, что серийное производство оборудования начнётся в 2025 году.
Как выращивают полупроводниковые кристаллы
Специалисты АО «НИИТМ», входящего в состав ГК «Элемент», НТЦ микроэлектроники РАН в Санкт-Петербурге и ООО «Софт-Импакт» разработали уникальную установку для выращивания кристаллов нитрида галлия на кремниевых пластинах. Это оборудование позволяет получать структуры на подложках диаметром до 200 мм.
По словам экспертов, это ключевой этап в создании компонентов для силовой и сверхвысокочастотной микроэлектроники — устройств, которые широко используются в блоках питания, преобразователях и накопителях энергии. Внедрение этой разработки позволит локализовать в России критически важную технологию.
В настоящее время создан опытный образец установки. Серийное производство планируется начать в следующем году.
Выращивание кристаллов полупроводников, или эпитаксия, — это базовый процесс в микроэлектронике. Он позволяет создавать на подложке начальные слои, которые служат основой для микрочипа. Затем на других установках производятся процессы травления, осаждения, металлизации, нанесения покрытий, а также резка и корпусирование.
Эпитаксию можно сравнить с приготовлением пиццы, где вместо соуса и сыра на подложку наносятся специальные вещества, которые управляют электрическими токами, — рассказал «Известиям» Дмитрий Пугачёв, начальник лаборатории разработки эпитаксиального оборудования АО «НИИТМ».
По его словам, новая установка представляет собой сложную систему, в которой исходные материалы подаются в виде газов. Они смешиваются в нужных пропорциях в узле смешения и направляются в реактор. Затем газы проходят над нагретой до 1200°C вращающейся подложкой и вступают в реакцию друг с другом. В результате на поверхности пластины образуется нужный слой.
Выращивание кристаллов требует много времени. При непрерывной работе установка может производить до 2000 пластин в год, то есть примерно шесть пластин в день. Однако это достаточно много, поскольку на одной пластине может быть несколько десятков тысяч транзисторов, — сообщил Дмитрий Пугачёв.
В настоящее время оборудование для эпитаксии из металлоорганических соединений создают в основном компании из Германии и США. В Японии производят небольшое количество установок. По словам Дмитрия Пугачёва, теперь в этом элитном клубе появилась Россия.
Разработка и проектирование установки заняли около пяти лет. Однако, по мнению авторов проекта, оборудование по совокупности параметров превосходит зарубежные аналоги. В частности, оно требует меньше дорогостоящих исходных материалов и обеспечивает более длительный срок эксплуатации оснастки.
Одним из главных преимуществ установки является то, что российские специалисты могут самостоятельно эксплуатировать и обслуживать её. Это снижает зависимость от зарубежных поставщиков комплектующих и сервисных услуг.
Кроме того, для российских учёных и инженеров открываются возможности для научных исследований, поскольку они могут экспериментировать без ограничений со стороны производителя. Это позволит получить новые материалы и технологии.
— Характеристики нитрида галлия позволяют использовать его в составе самых мощных устройств, например, в управляющей микроэлектронике для быстрых зарядных станций, — рассказала Юлия Сухорослова, директор направления электронного машиностроения ГК «Элемент».
По её словам, сверхбыстрая зарядная инфраструктура востребована как для бытовых устройств (телефонов, ноутбуков или роботов-уборщиков), так и для промышленных систем, например, электробусов, станков, беспилотников и других устройств, работающих на беспроводной основе.
Кроме того, в нитрид-галлиевом полупроводнике электроны более подвижны, чем в традиционных устройствах на основе кремния. Поэтому их используют в приборах с высокой скоростью переключения, например, в лидарах, которые измеряют расстояние до объектов, излучая свет лазером и замеряя отражённый сигнал.
В каждом лидаре используется нитрид-галлиевый ключ, который быстро открывается и закрывается, позволяя создавать импульсы длительностью в наносекунду и меньше. В лидаре может быть до 16 таких ключей. Такие устройства необходимы для систем машинного зрения беспилотных автомобилей и летающей техники.
Чем выгодны новые технологии
Юлия Сухорослова обратила внимание на то, что рынок изделий на основе нитрида галлия только формируется, но его перспективы сравнимы с развитием кремниевой электроники. Отсутствие таких технологий является одним из узких мест в отечественной микроэлектронике. Их внедрение может привести к взрывному росту смежных отраслей.
Заместитель генерального директора по развитию и научно-техническому обеспечению АО «НИИМЭ» Максим Ганыкин сообщил «Известиям», что существуют проблемы с закупкой технологического и контрольно-измерительного оборудования для микроэлектроники за рубежом. Поэтому важно иметь отечественные разработки, которые не уступают импортным аналогам. Также необходимо своевременно обслуживать и модернизировать это оборудование. Наличие профильных НИИ и компаний в стране позволяет успешно решать эту задачу.
Максим Ганыкин отметил, что насыщение рынка широким спектром устройств на основе нитрида галлия не только для потребительского сектора обеспечит современную компонентную базу для телекоммуникаций, транспорта, связи, энергетики и космической техники. Также установки такого класса могут быть модифицированы для получения других материалов, например, для роста светодиодных структур.
В настоящее время нитрид-галлиевые компоненты в основном используются для передатчиков базовых станций мобильной связи. Они также могут применяться в инверторах и преобразователях тока. Однако у таких устройств есть недостатки по сравнению с конкурирующими технологиями: ограниченный диапазон рабочих напряжений (650–1200 В) и плохой теплоотвод (в четыре раза меньше, чем у технологий на основе карбида кремния). При этом нитрид галлия выигрывает в размерах, а карбид кремния более устойчив к перегрузкам, — пояснил заведующий лабораторией молекулярного моделирования Центра компетенций НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Евгений Александров.
По его словам, технологии на основе нитрида галлия перспективны в сетях 5G-интернета, где благодаря их более высоким частотным характеристикам можно увеличить скорость передачи данных. Кроме того, такие технологии позволяют передавать сигнал на большее расстояние. Также нитрид-галлиевые приборы позволяют уменьшить массу металл-ионных аккумуляторов, производство которых активно развивается в нашей стране.
Исполнительный директор Ассоциации разработчиков и производителей электроники Иван Покровский считает, что российский рынок широкозонных полупроводников очень мал, его объём составляет не более 1 миллиарда рублей, если считать стоимость чипов, а не готовых устройств. Даже если предположить, что рынок полностью будет занят российской продукцией, этого спроса недостаточно для развития электронного машиностроения.
По его мнению, чтобы стимулировать эту отрасль, необходимо развивать производство готовых продуктов — преобразователей электроэнергии, СВЧ-модулей и светодиодов.
