Николай Каргин: «Рынок широкозонных полупроводников растет на десятки процентов в год»

Журнал «Вестник атомпрома» посвятил обширный обзор третьему поколению полупроводниковых материалов — широкозонным полупроводникам, чьи физические свойства позволяют использовать их при гораздо более высоких температурах, напряжениях и частотах, чем кремний и другие полупроводники предыдущих поколений. Экспертный комментарий для этого обзора дал проректор НИЯУ МИФИ, директор Центра радиофотоники и СВЧ-технологий Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике Николай Каргин. Ниже мы приводим полный текст комментария профессора Каргина.

Центр радиофотоники и СВЧ-технологий. Сверхвакуумная камера. 

По прогнозам одной из ведущих аналитических компаний Yole Group (см. Боднарь Д. Полупроводниковая микроэлектроника — 2022. Ч. 2. Широкозонные полупроводники — мировые фавориты в новых производствах и научных разработках // Электронные компоненты. 2023. № 1), к 2027 году совокупный объем мирового рынка мощных приборов с полупроводниками на основе карбида кремния достигнет 6,297 млрд долларов. Главным сегментом их применения останется автомобильный, который вырастет с 63% от всех использований этого материала до 79%. Основными устройствами для электромобилей, как и сейчас, будут тяговые инверторы двигателя и зарядные системы.

Мировыми лидерами в производстве SiC-приборов считаются STMicroelectronics (Европа), Infineon Technologies (Европа), Wolfspeed (Северная Америка), ROHM (Азия), Onsemi (Северная Америка) и Mitsubishi Electric (Азия).

Та же аналитическая компания прогнозирует почти 16-кратное увеличение мирового рынка мощных приборов на основе GaN с 127 млн долларов в 2021 году до 2 млрд долларов в 2027-м со среднегодовым темпом роста 59%. Доминировать здесь будут потребительский и автомобильный сегменты. К 2027 году они достигнут объемов в 964,7 млн и 308,9 млн долларов соответственно.

Как ожидается, спрос на GaN-изделия будет непрерывно увеличиваться в системах обработки данных, оборудовании для промышленных предприятий с высокой мощностью и энергопотреблением. При этом основные страны-производители сохранят ориентир на нулевой уровень углеродных выбросов. Поэтому на автомобильном рынке растет интерес к применению GaN-преобразователей для зарядных систем и так называемых DC-DC-преобразователей. Отдельное направление рынка для GaN — СВЧ-устройства для станций сотовой связи поколений 5G и 6G, радаров гражданского и военного назначений, спутниковых систем и так далее, где к 2026 году объем рынка достигнет 2,4 млрд долларов.

Лидерами в производстве GaN-приборов являются EpiGaN (Европа), EPC (Северная Америка), GaN Systems (Северная Америка), SEI (Азия), MicroGaN (Европа), NTT-AT (Азия), Toshiba (Азия), Transphorm (Северная Америка) и др.

Промышленного производства карбидкремниевых приборов в России в настоящее время нет. Одна из основных проблем в технологии как SiC, так и GaN (у этого материала отсутствуют собственные подложки больших размеров, поэтому растить кристаллы приходится на материалах с близкой кристаллической структурой, в том числе на карбиде кремния) — получение подложек с низкой концентрацией дефектов. А для снижения себестоимости кристалла необходимо переходить к подложкам большого размера (не менее 200 мм). Для этого необходима адаптация всех производственных линий, особенно технологических участков формирования структур, что, в свою очередь, требует соответствующего оборудования, зачастую недоступного отечественным предприятиям из-за санкций.

Технологиями изготовления подложек карбида кремния в России владеют компании АО «Светлана-Электронприбор» (полуизолирующий SiC диаметром до 76 мм) и АО «Нитридные кристаллы» (проводящие SiC диаметром до 100 мм). К освоению технологии роста подложек карбида кремния также приступила ставропольская компания «Монокристалл».

Промышленные технологии изготовления структур нитрида галлия и карбида кремния политипа 4H, предназначенного для применения в электронных устройствах, в России отсутствуют. В лабораторных масштабах эти технологии имеются в НИЯУ МИФИ (3C-SiC, GaN), ФТИ им. Иоффе РАН (GaN), АО «Элма-Малахит» (GaN), СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (кристаллы SiC, выращиваемые методом Лэли), НТЦ микроэлектроники РАН (GaN), ИФП СО РАН (GaN).

Коммерческие дискретные транзисторы СВЧ-диапазона предлагает АО «Светлана-Рост». АО «ОКБ-Планета» в настоящее время внедряет технологию производства GaN СВЧ-дискретных приборов и монолитных микросхем с размером обрабатываемых подложек, ограниченных 50 мм. АО «НПП «Исток» им. Шокина» также активно развивает технологии дискретных приборов на основе нитрида галлия.

Технологии процессирования дискретных GaN-приборов в лабораторных масштабах имеются в НИЯУ МИФИ, ИСВЧПЭ РАН, НПП «Пульсар». Сборку СВЧ-модулей на основе GaN производят в компании «Микроволновые системы». Мощные СВЧ- и силовые транзисторы на основе импортных чипов GaN предлагает воронежский НИИЭТ.

Отдельно стоит отметить компании, разрабатывающие и предлагающие так называемые фаундри-услуги (производство микропроцессоров по проектной документации фирмы-заказчика) по технологии дискретных GaN-приборов с проектными нормами 0,15 и 0,25 мкм. В настоящее время это АО «Светлана-Рост», НИЯУ МИФИ и НИЦ «Курчатовский институт».

Отдельной проблемой в технологии широкозонных материалов представляется необходимость ионной имплантации и последующей высокотемпературной обработки, что особенно актуально для карбида кремния. Такое оборудование в России не производится, в настоящий момент имеются только планы по его разработке.

Полностью обзор «Новый фаворит: широкозонные полупроводники» можно прочесть на сайте «Вестника атомпрома»