Базовая субстанция: в РФ создали машину для роста кристаллов полупроводников
В РФ создали и испытали первую отечественную промышленную установку для получения кристаллов нитрида галлия на кремниевых подложках. Это одна из ключевых технологий в создании компонентов силовой и сверхвысокочастотной микроэлектроники. Транзисторы на основе нитрида галлия способны работать с высокими токами, напряжениями и при повышенных температурах. Такие устройства востребованы в машиностроении, промышленной электронике, бытовой технике. Россия — четвертая страна в мире, которая станет производить оборудование такого класса. По совокупности параметров разработка превосходит зарубежные аналоги. Серийное производство техники планируют запустить в 2025 году.
Как выращивают полупроводниковые кристаллы
Российские ученые и инженеры из АО «НИИТМ» (входит в ГК «Элемент»), НТЦ микроэлектроники РАН (Санкт-Петербург) и ООО «Софт-Импакт» разработали первую в стране установку для выращивания кристаллов нитрида галлия на кремниевых пластинах. Оборудование позволяет получать структуры на подложках диаметром до 200 мм.
Как объяснили специалисты, это один из ключевых этапов в создании компонентной базы для силовой и сверхвысокочастотной микроэлектроники — устройств, которые широко используют в блоках питания, преобразователях и накопителях энергии. Внедрение разработки позволит локализовать в нашей стране одну из критически важных технологий. В настоящее время изготовлен опытный образец установки. Их серийное изготовление планируют начать в следующем году.
— Выращивание кристаллов полупроводников, или эпитаксия, — базовый процесс в микроэлектронике. Он позволяет формировать на подложке первоначальные слои — по сути, основу для микрочипа, после чего на других установках производятся процессы травления, осаждения, металлизации, нанесения покрытий, а также резка и корпусирование. Эпитаксию можно сравнить с приготовлением пиццы, только вместо соуса и сыра на подложку осаждают специальные вещества, которые позволяют управлять электрическими токами, — рассказал «Известиям» начальник лаборатории разработки эпитаксиального оборудования АО «НИИТМ» Дмитрий Пугачев.
Он пояснил, что новое оборудование представляет собой сложную систему, в которой исходные материалы подаются в виде газов. Они в нужных пропорциях поступают в узел смешения, откуда направляются в реактор. Затем газы, проходя над нагретой до 1200°C вращающейся подложкой, вступают друг с другом в реакции. В результате на поверхности пластины осаждается нужный слой.
— Выращивание кристаллов требует больших временных затрат. При круглосуточной работе машина может выпускать до 2 тыс. пластин в год, то есть порядка шести в сутки. Однако это достаточно много, поскольку на одной пластине может разместиться до нескольких десятков тысяч транзисторов, — сообщил Дмитрий Пугачев.
На данный момент, отметил он, оборудование для эпитаксии из металлоорганических соединений создают преимущественно компании из Германии и США. Небольшое количество установок производят в Японии. По его словам, сейчас к элитному клубу присоединилась Россия.
На разработку и проектирование установки потребовалось около пяти лет. Тем не менее, отметили авторы проекта, по совокупности параметров оборудование опережает зарубежные аналоги. В частности, оно требует меньше расхода дорогостоящих исходных материалов и обеспечивает более длительный срок эксплуатации оснастки.
Где применяют компоненты на основе нитрида галлия
По словам Дмитрия Пугачева, одно из главных преимуществ установки в том, что российские специалисты могут ее самостоятельно эксплуатировать и обслуживать. Это снижает зависимость от зарубежных поставщиков комплектующих и сервисных услуг.
Кроме того, для наших ученых и инженеров открываются возможности научного поиска, поскольку они получают возможность экспериментировать без ограничений со стороны производителя. В конечном итоге это позволит получить новые материалы и технологии.
— Характеристики нитрида галлия позволяют применять его в составе самых мощных устройств. Например, в управляющей микроэлектронике для быстрых зарядных станций. Благодаря стойкости полученных компонентов восполнение энергии происходит быстрее, чем с помощью современных технологий, — рассказала директор направления электронного машиностроения ГК «Элемент» Юлия Сухорослова.
Она объяснила, что сверхбыстрая зарядная инфраструктура востребована как для бытовых устройств (телефонов, ноутбуков или роботов-уборщиков), так и для промышленных систем, например электробусов, станков, беспилотников и прочих устройств на беспроводном принципе. Также 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 предметов, излучая свет лазером и замеряя отраженный сигнал.
При этом каждый лазер включается нитрид-галлиевым ключом. Он быстро открывается и закрывается, позволяя создавать импульсы в наносекунду и меньше. В лидаре стоит по меньшей мере 16 ключей. Такие приборы необходимы для систем машинного зрения для беспилотных автомобилей или летающей техники.
Чем выгодны новые технологии
Юлия Сухорослова акцентировала внимание на том, что сейчас рынок изделий на основе нитрида галлия — в стадии формирования, но его перспективы сопоставимы с кремниевой электроникой. Нехватка таких технологий — одно из узких мест отечественной микроэлектроники. Их расшивка даст взрывной эффект роста смежных отраслей.
— Существуют проблемы с закупкой технологического и контрольно-измерительного оборудования для микроэлектроники за рубежом. В связи с чем важно иметь отечественные разработки, которые не уступают импортным аналогам. Также необходимо их своевременное обслуживание и модернизация. Наличие в стране профильных НИИ и компаний позволяет успешно справиться с этой задачей, — сообщил «Известиям» заместитель генерального директора по развитию и научно-техническому обеспечению АО «НИИМЭ» Максим Ганыкин.
Он отметил, что насыщение рынка широким спектром устройств на основе нитрида галлия кроме потребительского сектора обеспечит современной компонентной базой отрасли телекоммуникации, транспорта, связи, энергетики и космической техники. Вместе с тем установки такого класса могут быть доработаны для получения других материалов, например для роста светодиодных структур.
— Сейчас нитрид-галлиевые компоненты в основном используют для передатчиков базовых станций мобильной связи. Их можно применять в инверторах и преобразователях тока. Минус таких устройств по сравнению с конкурирующими технологиями — в ограниченном диапазоне рабочих напряжений (650–1200 В), а также в плохом теплоотводе (в четыре раза меньше, чем в технологиях на базе карбида кремния). При этом нитрид галлия дает выигрыш 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 за счет их более высоких частотных характеристик можно увеличить скорость передачи данных. Кроме того, такие технологии позволяют передавать сигнал на большее расстояние. Вместе с тем нитрид-галлиевые приборы позволяют уменьшить массу металл-ионных аккумуляторов, масштабное производство которых разворачивается в нашей стране.
— Российский рынок широкозонных полупроводников микроскопический, не больше 1 млрд рублей, если считать стоимостью чипов, а не приборов. Даже если допустить, что рынок компонентов будет полностью занят российской продукцией, этого спроса недостаточно, чтобы развивать электронное машиностроение, — прокомментировал разработку исполнительный директор Ассоциации разработчиков и производителей электроники Иван Покровский.
По его мнению, чтобы стимулировать эту отрасль, нужно развивать производство конечной продукции — преобразователей электроэнергии, СВЧ-модулей и светодиодов.
