Сила — в широкозонных полупроводниках: новые материалы для электроники

Рынок силовой электроники в ближайшее время захватят полупроводники третьего поколения, уверен Виктор Федосеев, главный научный сотрудник НИИ НПО «Луч», кандидат технических наук. В России полупроводники третьего поколения и изделия из них практически никто не выпускает. Надо создавать свое производство. Предприятия «Росатома» могут сыграть в этом ведущую роль. Аргументы — ​в статье Виктора Федосеева для «СР».

Электроника — ​крупнейший сегмент мировой экономики. Его прибыль, по данным компании Statista, в этом году составит 837 млрд долларов, темп роста до 2027 года — ​12,6 % в год.

Ни одно предприятие «Росатома» не обходится без электроники, а некоторые сами разрабатывают электронные приборы. Среди новых проектов в сфере силовой электроники следует отметить электромобиль «Атом», зарядные станции, ветроустановки. Во всей этой технике весьма перспективно применение широкозонных полупроводников.

Первыми полупроводниками в электронике были германий и кремний. Затем появились полупроводники из двух-трех элементов — ​арсенид индия и галлия, антимонид индия, теллурид кадмия и др. Третье поколение — ​широкозонные полупроводники, например карбид кремния (SiC), нитрид галлия, оксид олова, сульфид или оксид цинка. В настоящее время промышленным потенциалом обладают первые два.

Преимущества третьего поколения

Чем больше ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, тем выше напряжение, частота и температура, при которых работают электронные приборы. Ширина запрещенной зоны у третьего поколения — ​свыше 3 эВ, это позволяет сделать приборы компактнее и легче, снизить потери, обеспечить работу на более высокой мощности, в неблагоприятных внешних условиях, упростить систему охлаждения. Например, карбид кремния прибавил электромобилям Tesla 10 % к пробегу от батареи, а с блоками питания на основе нитрида галлия фирмы Navitas втрое сократилось время зарядки и вдвое увеличилась емкость зарядного устройства.

Сейчас силовая электроника третьего поколения применяется в легковых электромобилях. Затем это будет грузовой транспорт, возобновляемая энергетика, линии электропередачи, приводы электромоторов с переменной частотой вращения, информационно-коммуникационная техника, центры обработки данных, ж/д транспорт. В отдаленной перспективе появятся электрические самолеты и морские суда. Согласно прогнозу «Power SiC 2022» агентства Yole Développеment, мировой рынок силовой электроники до 2027 года будет расти на 34 % ежегодно.

Разработки в области широкозонных полупроводников — ​показатель уровня научно-технологического развития страны. Безусловный мировой лидер в использовании карбида кремния и нитрида галлия для силовой электроники — ​США. Китай энергично догоняет Штаты. Такие страны, как Япония, Германия, Южная Корея и Россия, обладают неполным спектром технологий в этой области. Предприятия «Росатома» производят разные виды керамик и композиционных материалов из карбида кремния, однако для силовой электроники они не подходят.

Ультрачистый порошок

Самый сложный и дорогой этап производства приборов с полупроводниками третьего поколения — ​это изготовление пластин. Следующие этапы — ​нанесение фоторезиста, литография, имплантация примесей, нанесение тонких пленок, пассивация, металлизация, нарезка чипов, корпусирование, сборка силовых модулей, инспекция и метрология — ​освоены на кремниевых фабриках и требуют относительно небольшой доработки.

Рассмотрим цепочку производства электронных пластин из карбида кремния диаметром 150 мм. Начинается все с получения ультрачистого порошка SiC. Содержание примесей не должно превышать 1 ppm — ​одну миллионную часть по весу. Гранулометрический состав порошка должен быть субмиллиметрового диапазона. Однако чистота продукта российских предприятий далека от электронного качества. Карбида кремния требуемой чистоты в России нет, и его производство нужно создавать. В лабораторных масштабах это относительно просто, в промышленных, когда речь идет о тоннах продукции, — ​это непростая задача, но ее может решить НИИ НПО «Луч». Институт изготавливает изделия из реакционно-спеченного карбида кремния. Создание производства чистого порошка SiC существенно расширит номенклатуру и позволит обеспечить электронную и другие отрасли промышленности.

Следующий этап — ​выращивание монокристаллов. Способов несколько, но мировой стандарт де-факто — ​физический транспорт паров. Его разработали в 1978 году советские ученые Юрий Таиров и Валерий Цветков в Ленинградском электротехническом институте. Используется метод сублимации и кристаллизации порошка карбида кремния на пластине-­затравке при 2200–2400 °C в среде чистого аргона. Нагрев производят в графитовом тигле индуктором или графитовым нагревателем. В «Росатоме» есть организации, которые могут их изготовить.

Выращенный кристалл определенным образом ориентируется относительно кристаллографических осей и обрабатывается. Получается слиток. Из-за исключительной твердости карбида кремния шлифовка осуществляется суспензией на основе алмазных порошков. При разделке слитка на подложки толщиной около 0,4 мм важно обеспечить минимальные потери материала. Поэтому разделка ведется на многопроволочных станках с алмазированной проволокой диаметром около 0,2 мм. Весь слиток разделывается за раз, но резка может занимать от 10 часов до нескольких суток. В России пока нет своих станков для многопроволочной резки, однако есть надежда, что они скоро появятся: в Минпромторге разработано техническое задание на такой станок.

После разделки подложки шлифуются и обрабатываются методами химико-механической полировки для получения пластин с заданными геометрическими размерами и шероховатостью. Последняя операция — ​эпитаксия: наращивание тонкой, от нескольких микронов до нескольких десятков, кристаллической пленки поверх пластины. В данном случае возможна гомоэпитаксия (нанесение карбида кремния) и гетероэпитаксия (нанесение нитрида алюминия и галлия). В нескольких организациях в Зеленограде накоплен опыт эксплуатации западной техники. Имеются предпосылки к тому, что отечественные эпитаксиальные установки ­появятся.

Материалы национального значения

В ближайшей перспективе кремний останется доминирующим материалом. Но в силовой электронике и мощной СВЧ-технике его будут постепенно вытеснять широкозонные полупроводники. На предприятиях «Росатома» заложен фундамент по многим технологиям, необходимым для развития силовой электроники на основе карбида кремния. В частности, участие научного блока «Росатома» в таком проекте привело бы, помимо создания продуктовой линейки диодов, транзисторов, силовых модулей и других электронных изделий, к качественному технологическому скачку для отечественных продуктов более высокого передела.

Атомные институты могут внести вклад в получение чистых высокотемпературных материалов, в создание технологий выращивания кристаллов и эпитаксии, методов получения изостатического графита и нанесения защитных пленок на него, в формирование покрытий методами химического осаждения из газовой фазы, а также в моделирование новых электронных приборов и многое другое.