Нитрид галлия идет на смену кремнию
Новый материал проникает во многие сферы электроники и имеет шансы стать главным полупроводником. Самый совершенный в мире транзистор создают ученые из России
Давние прогнозы о завершении эпохи кремния могут быть реализованы в ближайшие десять лет. SiliconTech достиг теоретического предела в гонке за мощностью и энергоэффективностью. Крупные игроки, а также многочисленные стартапы полупроводниковой отрасли проводят эксперименты с новыми элементами — карбидом кремния (SiC) и нитридом галлия (GaN). Приоритет, вероятно, будет отдан нитриду галлия. С точки зрения физики он обладает самым сильным козырем — наиболее широкой запрещенной зоной, то есть областью значений энергии, от которой зависит, насколько хорошо материал может проводить электричество. Этот показатель у него равен 3,4 эВ, тогда как у карбида кремния — 3,2 эВ, а у широко используемого кремния — всего 1,1 эВ. Это означает, что GaN-транзисторы способны пропускать через себя больший ток, при этом меньше нагреваясь в процессе работы и переключения по сравнению с кремниевыми аналогами. В зарядных устройствах телефонов, блоков питания ноутбуков и компьютеров подобное преимущество позволяет сохранять постоянные рабочие характеристики и не снижать эффективность при более высоких температурах. Да и в целом кристаллы нитрида галлия более устойчивы к воздействию экстремальных температур — они работоспособны при 300 °C с обычным воздушным охлаждением, тогда как предельная температура для кремниевых чипов не более 150 °C. В теории устройства на основе GaN могут работать в 20 раз быстрее и обеспечивают почти стопроцентный КПД. Подсчитано также, что при производстве GaN-транзисторов выбросы в атмосферу СО2 в 10 раз ниже, и если вся полупроводниковая промышленность перейдет на нитрид галлия, выбросы углерода сократятся на 2,6 Гт в год. По подсчетам Дэна Кинцера, соучредителя ирландской компании Navitas Semiconductor, одного из лидеров рынка альтернативных полупроводников, если к этому прямому экологическому эффекту добавить вклад GaN в создание более компактных, легких и энергоэффективных приложений, получится, что на каждый поставляемый чип нитрид галлия «экономит» 4 кг СО2 по сравнению с кремнием.
Для новой технологической индустрии, к которой стремится мир, — с «зеленой» энергетикой, электромобилями, связью 5G — этот материал подходит по всем параметрам. В том числе по себестоимости изготовления чипов. Если другие перспективные претенденты на роль «нового кремния» при ударных показателях работы слишком дороги в производстве, то нитрид галлия при определенных условиях может стать даже дешевле кремния. Устройства из него можно изготавливать на тех же заводах, что и кремниевые; чипы могут быть обработаны без дорогостоящего оборудования и специальных процессов. Упаковка для Si-устройств, защищающая их от загрязнения или короткого замыкания, часто может составлять половину их цены, для GaN-чипов такая защита не нужна, что значительно снижает их себестоимость.
Подложные инновации
Ответ на вопрос, почему производители микроэлектроники и силовой электроники до сих пор не перешли на использование нитрида галлия, тривиален. Теория по этой теме значительно опережает практику. Промышленное развитие GaNтехнологий, которые начали изучать еще в 60-х годах прошлого века, долгое время сдерживалось тем, что вырастить чистый кристалл нитрида галлия для его дальнейшего использования в качестве самостоятельной подложки оказалось крайне сложно. Долго не удавалось получить кристаллы нужного качества с размерами 150 мм и более, которые подходили бы для индустрии. В связи с этим в 70-е годы работы в США по этому направлению были свернуты, но продолжались в СССР и Японии.
Решение в итоге было найдено: нитрид-галлиевые транзисторы стали формировать в эпитаксиальных слоях, которые осаждали на подложки из других материалов. Интеграция GaN c другими структурами тоже технически сложная задача. Но в ней ученые преуспели. В качестве базы для чипов сегодня в основном используют карбид кремния. Его кристаллическая решетка подобна нитриду галлия, что позволяет уменьшить число буферных слоев и в целом упрощает создание гетероструктуры. Однако SiC сам по себе дорог, из-за чего стоимость транзистора оказывается сравнительно высокой. В последнее время были отработаны технологии, позволяющие создавать надежные и качественные гетероструктуры нитрида галлия на кремнии. Кремний существенно дешевле карбида кремния. Кроме того, он позволяет изготавливать пластины большего диаметра (до 200 мм), что также снижает себестоимость конечных устройств. Велика вероятность, что именно кремниевые подложки станут основной для GaN-транзисторов в наиболее широком применении в гражданской индустрии. Наука при этом продолжает успешно экспериментировать с другими подложками.
На рынке нитрид-галлиевые технологии уже представлены в отдельных продуктах. Впервые применять GaN стали 20 лет назад в лазерах для считывания DVD, которые позволили вмещать в пять раз больше информации, чем CD, и открыли дорогу телевизорам высокого качества. Затем появились легкие и компактные светодиодные лампы, обеспечившие пятикратное снижение потребления электричества от портативных и уличных фонарей и фар автомобилей. Далее — быстрые зарядки мобильных телефонов и блоки питания компьютеров, которые в разы превосходили своих кремниевых предшественников в мощности, компактности, легкости и энергоэффективности. В 2006–2007 годах практически все ведущие мировые электронные компании, так или иначе связанные с производством Si-компонентов, анонсировали инвестиции в GaN-tech. Первыми вышли на рынок японская Eudyna (сейчас Sumitomo Electric Industries) и южнокорейская RFHIC, позднее к ним присоединились Philips, Toshiba, Osram, NEC, Qorvo, NXP и др. Стремительно развиваются стартапы, за которыми охотятся лидеры.
Заряд для рынка
Взрывной рост рынка компонентов с нитридом галлия ожидается в секторе зарядных устройств. По данным TrendForce, к 2025 году, как раз к 60-летнему юбилею закона Мура, PowerGaN достигнут доли 52% в сегменте быстрой зарядки. Согласно исследованию Transparency Market Research, глобальный рынок зарядников на основе GaN к 2031 году вырастет еще на 40,3%; опережающие темпы при этом будет демонстрировать АзиатскоТихоокеанский регион, представленный Китаем, Южной Кореей, Японией и Тайванем. В отчете AllTheResearch прогнозируется, что к 2027 году объем рынка таких устройств превысит 5,2 млрд долларов. Драйвером роста станут зарядники мощностью свыше 100 Вт, хотя сейчас их доля не превышает 10%; подавляющее большинство уже закрепившихся на рынке зарядных устройств с нитридом галлия имеют мощность 55–65 Вт.
Сегодняшний рекорд индустрии в данном сегменте — 140 Вт. Он принадлежит корпорации Apple, которая только в 2021 году представила свой первый транзистор на основе нитрида галлия и сразила сразу всех конкурентов. Пока это устройство предназначено для определенной модели ноутбука, но не исключено, что в дальнейшем его будут интегрировать в дата-центры, моторные приводы для легкой промышленности, солнечные инверторы и электромобили.
Перспективы рынков сейчас кажутся безграничными. Об этом свидетельствуют темпы роста компаний, освоивших технологию производства «чипов будущего», а также их планы завоевания новых ниш. В конце 2021 года Navitas Semiconductor начала торги акциями на Nasdaq и сразу была оценена более чем в миллиард долларов. В 2022 году компания объявила об открытии в Шанхае первого в мире центра проектирования электромобилей со встроенной батареей на основе нитрида галлия, которая будет заряжаться в три раза быстрее и экономить до 70% энергии. Разработчики уверены, что переход электромобилей на GaN-зарядки существенно ускорит внедрение такого транспорта и позволит сократить ежегодные выбросы CO2 в дорожном секторе на 20% к 2050 году.
Доля решений на основе нитрида галлия на рынке быстрых зарядных устройств
Суровый российский GaN
В России решения GaN-on-SiC и GaNonSi стали проникать в промышленное производство порядка десяти лет назад. Сегодня в стране производятся не только нитрид-галлиевые транзисторы, но и приборы на их основе — светодиоды, лазеры, СВЧ-транзисторы, блоки питания, преобразователи и радары. В основном они ориентированы на узкие и закрытые рынки, выпускаются по спецзаказам для техники спецназначения наших традиционных ниш в хайтеке — космоса и оборонки. В битву за массовый рынок производители такой продукции готовы включиться только при мощной поддержке государства.
Российскими первопроходцами стали компании холдинга «Росэлектроника» (входит в ГК «Ростех). В 2013 году уже был налажен выпуск СВЧ-приборов — приемо-передающих модулей, которые принимают и усиливают сверхвысокочастотный сигнал в диапазоне от гига- до терагерца.
«На арсениде галлия и нитриде галлия построено практически все, что смотрит, обнаруживает цели, дает возможность точно навести оружие, передавать информацию. Если разобрать полезную нагрузку спутников, то 80 процентов элементной базы там — это не кремниевые, а арсенид-галлиевые и нитрид-галлиевые технологии», — сообщал тогда прессе Андрей Зверев, на тот момент занимавший пост гендиректора холдинга.
Об отдельных проектах в этой области регулярно сообщается в официальных релизах «Росэлектроники». В частности, в 2017 году НИИ полупроводниковых приборов из Томска представил твердотельный усилитель мощности 8-миллиметрового диапазона длин волн на основе GaN с выходной мощностью более 800 Вт, было создано серийное производство. Сфера применения разработки — радиолокационное оборудование. Тогда же «Оптрон» наладил выпуск на основе GaN систем освещения, способных работать в экстремальных средах, в том числе на химических производствах, атомных станциях, шахтах, подводных лодках.
В стратегии развития «Ростеха», принятой в 2015 году, поставлена цель продвигать высокие технологии в гражданские сегменты, причем темпами, опережающими их внедрение в оборонный комплекс. «Приоритетом является достижение паритета между продукцией военного и гражданского назначения, а также возможность трансферта военных технологий в гражданский сектор, и наоборот. При этом научный и технологический задел в военной сфере будет не только сохранен, но и получит новый стимул развития», — заявлял тогда глава госкорпорации Сергей Чемезов.
Свойства нитрида галлия выделяются на фоне других полупроводников*
Техническая готовность
Выравнивания пропорции гражданских и военных технологий предполагалось достичь за счет существенного роста показателей невоенных кластеров, в первую очередь электронного. Этот посыл с энтузиазмом восприняли разработчики GaN-технологий. В 2016 году был анонсирован один из первых отечественных проектов с прицелом на массовый рынок: о начале разработки мощных СВЧ-транзисторов на основе гетероструктур GaN для мобильной связи пятого поколения заявили ГЗ «Пульсар» совместно с Институтом сверхчастотной полупроводниковой электроники им. В. Г. Мокерова (ИСВЧПЭ) РАН. К настоящему времени в институте разработаны оригинальные технологии изготовления GaN-транзисторов на подложках из карбида кремния и кремния, а также на сапфире, который совсем немного уступает по параметрам SiC. Устройства работают в диапазонах 1–2 ГГц (мощность 8 Вт), 25–40 ГГц (0,3–0,5 Вт), 57–64 ГГц (100 мВт), самый высокочастотный транзистор — широкополосный усилитель мощности диапазона частот 85–95 ГГц на карбиде кремния (мощность 100 мВт). Создано небольшое опытное производство СВЧ-транзисторов и монолитных интегральных схем (МИС) — по несколько пластин в год. Для ряда МИС проработаны различные способы монтажа кристаллов и монтаж в корпуса, которые изготавливаются на отечественных заводах. По существу эти локальные успехи составляют еще стадию R&D, которая далека от рынка.
«У нас есть опыт и возможности для отработки технологических процессов, создания новых конструктивно-технологических решений и организации опытного производства транзисторов вплоть до 100 гигагерц. Для массового производства таких изделий целесообразно создавать особые условия», — отмечает директор ИСВЧПЭ РАН Сергей Гамкрелидзе.
В их числе он называет организацию научно-производственного консорциума, формирование плана НИОКР по созданию серийной GaN-технологии и изделий на ее основе и целевое реальное финансирование таких работ из госбюджета в рамках, например, госпрограммы развития ОПК. Сюда же он относит маркетинговые исследования — для определения конкретных потребителей и оценки необходимых объемов выпуска.
В 2020 году готовый транзистор на основе гетероструктур нитрида галлия с улучшенными СВЧ-характеристиками представил Научно-исследовательский институт электронной техники (НИИЭТ) из Воронежа. В настоящее время компания производит 25 типов приборов на базе GaN на карбиде кремния в общем объеме до 10 тыс. штук и пять номиналов компонентов GaN на кремнии. Транзисторы GaN-on-SiC от НИИЭТ обладают выходной мощностью до 400 Вт и перекрывают диапазон частот до 12 ГГц, в том числе сети стандарта 5G (3–5 ГГц), открывающие дорогу массовому внедрению сверхскоростного интернета и интернета вещей. Несмотря на наличие компетенций и отлаженного производства, амбиции для выхода на широкого потребителя здесь тоже весьма умеренные.
Причина тому — отсутствие внутреннего спроса на нитрид-галлиевые транзисторы в гражданском секторе. Иными словами, Россия должна сама производить базовые станции 5G. Их создание потребует концентрации колоссального уровня необходимых материальных и научно-технических ресурсов.
«Технически мы готовы создать соответствующие транзисторы и другие приборы для 5G, которые относятся к нашей сфере компетенций. Но базовая станция состоит далеко не только из них. А чтобы обеспечить приемлемую стоимость разработки, необходимы объемы производства», — отмечает технический директор АО НИИЭТ Игорь Семейкин.
Оптимальным для России эксперт считает путь, который прошли китайские производители, получившие от государства гарантии определенной доли рынка с соответствующим планом производства. Такая стратегия, по его мнению, может стать успешной, если разработка будет полностью отечественной, без локализации иностранных решений.
В настоящее время в НИИЭТ ведутся работы по организации нового участка корпусирования полупроводниковых приборов в пластик — именно в таком виде они востребованы в гражданской электронике.
В будущее с алмазами
Потенциал нитрида галлия продолжают изучать во всем мире, считается, что он может принести еще больше бонусов для экономики и экологии, чем известно сегодня. Появляющиеся лабораторные образцы демонстрируют трехкратное превосходство над промышленными экземплярами. Технологию совершенствуют в части интеграции GaN с другими материалами. На роль идеальной подложки всерьез претендует синтетический алмаз, который во многом превосходит карбид кремния и кремний в этом же приложении. Его сила — в высокой теплопроводности (она превосходит аналогичный параметр карбида кремния в четыре раза, кремния — в 14 раз), что позволяет достигать лучшего эффекта охлаждения мощных транзисторов. Это преимущество максимизирует производительность и надежность систем на основе GaN. В лабораториях комбинацию GaN с алмазом изучают более десяти лет, официально об успешных исследованиях на этом направлении уже заявили Университет Джорджии (США), Университет Джорджа Мэйсона (США) и Университет Васэда (Япония), которые работают в рамках одного проекта. Известно, что технологию развивают и ведущие промышленные компании. Согласно ожиданиям аналитиков из Yole Developpment, в ближайшие годы она будет запущена в коммерческую эксплуатацию в RFHIC (Южная Корея), Akash Systems (США) и Mitsubishi Electric (Япония).
Здесь ближе всех к коммерческому выходу подобрался венчурный стартап из Калифорнии Akash Systems. В июле 2021 года в тестовом режиме компания запустила спутниковую радиостанцию размером с ладонь, в основе которой GaNonDiamond. Этот прибор, как уверяет в пресс-релизах производитель, способен передавать данные с запредельной для индустрии скоростью — 650 Мбит/с на частоте 120 МГц, что позволит снизить затраты конечных пользователей на услугу «до невиданных пределов». Сообщается, что инвестиции в проект на первом этапе составили 14,5 млн долларов.
В России также есть частная компания, нацеленная на завоевание рынка в сегменте устройств на базе GaN-onDiamond. Это стартап из Москвы Wonder Technologies, который впервые в мире продемонстрировал возможность создания гетероэпитаксиальной структуры нитрида галлия с алмазом посредством прямого осаждения — с непревзойденным пока размером два дюйма. Проект ведется в сотрудничестве с Институтом общей физики им. А. М. Прохорова РАН. В декабре 2021 года в журнале Applied Materials Today вышла статья, в которой российские авторы сообщили о создании готового транзистора на этой структуре. Он значительно превосходит опытные образцы конкурентов по разработке GaNonDiamond в характеристиках теплоотвода и коэффициента продолжительности работы и, как следствие, имеет более высокую мощность — за чем, собственно, и гонится современная электроника. Если исходить из публикации, по производительности созданное устройство превосходит существующие кремниевые транзисторы на несколько порядков.
«Цель наших разработок всегда лежала в плоскости вывода на рынок готовых инновационных решений с использованием всего набора уникальных свойств алмазных материалов. Одним из таких решений стала интеграция алмаза с нитридом галлия — самым эффективным на сегодняшний день полупроводником, который уже получил признание индустрии. В течение трех лет мы проводили эксперименты, и теперь уже вплотную подошли к адаптации лабораторной технологии для подложек GaN-on-Diamond, ориентированных на промышленный выпуск (диаметром более 100 миллиметров), что при благоприятных обстоятельствах может открыть перспективы крупносерийного производства в России нитрид-галлиевых транзисторов на алмазе. В то же время продолжаем фундаментальные исследования, позволяющие совершенствовать технологию и создавать приборы с улучшенными характеристиками. В планах — разрабатывать продукцию с высокой глубиной передела и выпускать готовые устройства для рынка, такие как быстрые зарядные станции, системы связи 5G. Мы стремимся занять свою уникальную нишу за счет инновационности на уровне мировых разработок», — рассказывает один из авторов статьи, основатель и генеральный директор Wonder Technologies Андрей Синогейкин.
Да здравствует король!
Сейчас наиболее вероятными рынками устройств GaN-on-Diamond аналитики называют развивающиеся сегменты с высокой маржей — базовые станции 5G, спутниковую связь и метеорологические радары. В более «приземленных» сферах — электротранспорте, зарядных устройствах для телефонов, блоках питания для ноутбуков — будут укрепляться позиции GaN на карбиде кремния и кремнии — за счет того, что технология пока более изучена и близка к рынку, чем GaN-on-Diamond, и в нее уже инвестировали сотни миллионов долларов.
В целом все движется к тому, что в иерархии полупроводников в ближайшие годы произойдет смена лидера. Пока еще рано говорить «король умер», но уже можно констатировать, что дешевый и проверенный кремний, служивший основой электроники на протяжении десятилетий, постепенно сдает позиции перед нитридом галлия во все большем количестве сегментов. Стремительное проникновение GaN-решений на многообещающие массовые и капиталоемкие рынки — свидетельство грядущего колоссального по динамике взлета новой элементной базы. Далеко не все верят, что новому материалу удастся полностью вытеснить кремниевые технологии, под которые заточено производство всех промышленных гигантов электронной отрасли. Silicon-индустрия тоже не стоит на месте, развивая, в частности, технологию «кремний-германий», которой сегодня, как и GaN, выдают много авансов. Так что мы еще можем увидеть возрождение «дедушки Si» в новой, более мощной ипостаси. При этом очевидно, что кремний в обозримом будущем не будет доминировать на всех направлениях, в том числе для самых широких применений. Формирующаяся «многополярность» в мире полупроводников окажется выгодна для России. Не воспользовавшись шансом построить собственную полупроводниковую отрасль на кремнии (хотя у ее истоков стоял российский ученый — нобелевский лауреат по физике 2000 года Жорес Алферов), можно отыграть отдельные ниши на базе GaN-технологий. Это станет огромным прорывом для отечественной электроники, где в конечном счете победят потребители.
Фото: Andrè Klohn/DPA, Phil Degginger / Alamy Stock Photo
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl