Нитрид-галлиевая технология входит в число наиболее перспективных направлений развития электронной компонентной базы для силовой и СВЧ-электроники. Спектр применений, в которых она становится одной из наиболее эффективных, а в некоторых случаях – просто незаменимой, чрезвычайно широк и простирается от бытовых зарядных устройств до ключевых систем электрического транспорта, передовых телекоммуникационных систем и современных радиолокационных устройств. Во всем мире эта технология быстро набирает обороты, а в Стратегии развития электронной промышленности РФ на период до 2030 года она внесена в ключевое направление «Научно-техническое развитие».
Воронежское предприятие АО «Научно-исследовательский институт электронной техники» (АО «НИИЭТ») стало одним из первых в России, обратившим внимание на это направление. К настоящему времени им создан существенный задел в области разработки и производства как электронных компонентов на основе нитрида галлия (GaN), так и устройств с их использованием. Более того, ряд GaN-приборов НИИЭТ уже поставляет потребителям серийно.
В данной статье пойдет речь о том, почему эта технология столь перспективна, чего уже удалось достичь в этой области АО «НИИЭТ» и какие задачи предстоит решить в ближайшее время и в более дальней перспективе.
Немного истории
Человечество за свою историю совершило множество открытий и реализовало огромное количество изобретений, но лишь несколько из них качественно изменило нашу жизнь, и, безусловно, в их числе – изобретение полупроводникового транзистора. Хотя с задачами управляемой коммутации справлялись еще электромагнитные реле, а усилители сигналов с успехом строились на электронных лампах, транзистор вывел электронику – как аналоговую, так и цифровую – на новый уровень. Помимо достижения высокой надежности, технологичности, электрических характеристик аппаратуры, транзисторы позволили со временем создать совершенно новый класс изделий – интегральные микросхемы, которые сделали сложные высокофункциональные устройства компактными, удобными в обращении и доступными для всех, а не только для ученых и специалистов в отдельных областях, где можно было позволить себе ЭВМ размером в пару комнат или «золотой» прибор, на который «нельзя дышать».
Однако характеристики твердотельного полупроводникового прибора, каковым является транзистор, определяются во многом свойствами используемых материалов. Более того, определенные параметры конкретного материала становятся факторами, ограничивающими дальнейшее развитие: транзистор «упирается» в предел, непреодолимый в силу физических законов. В то же время на электронику возлагается всё больше различных задач, она проникает практически во все сферы нашей жизни и должна отвечать на новые вызовы. Поэтому ученые и инженеры во всем мире постоянно находятся в поиске новых решений, в том числе в области материалов, которые способны помочь совершить скачок в повышении характеристик транзисторов.
Почему нитрид галлия?
Полупроводников, на которых может быть реализован транзистор, достаточно много, и с момента открытия транзисторного эффекта многие из них рассматривались в качестве кандидатов для использования в этих приборах. Первый биполярный транзистор был германиевым. С 1940-х годов велись исследования и в области нитрида галлия. Но достаточно быстро лидирующие позиции занял кремний: его характеристики были на тот момент вполне приемлемыми, по ряду из них он превосходил германий и, что очень немаловажно, был технологичен и дешев.
Интерес к нитриду галлия начал возрождаться в 1970-х, а в начале 1990-х случилось значимое событие – на основе этого материала были созданы яркие синие и УФ-светодиоды, что позволило реализовать на полупроводниках полную триаду «красный – зеленый – синий» для построения цветных дисплеев, а также сделать осветительные светодиоды, которыми мы сейчас пользуемся в том числе в быту.
Но помимо способности излучать свет в верхней области спектра, у данного материала имеются свойства, которые оказались очень кстати в условиях расширения применения электроприводов и других устройств силовой электроники, а также потребности в более высоких частотах с развитием цифровой мобильной связи, повышением точности и применением в новых сферах радиолокации (достаточно вспомнить, что сейчас во многих современных автомобилях радиолокаторы помогают водителям контролировать «слепые зоны», держать дистанцию и т. п.) и в целом всё более широким использованием СВЧ-электроники. Отметим основные из этих характеристик GaN.
Прежде всего, нитрид галлия обладает широкой запрещенной зоной (3.39 эВ против 1.12 эВ у кремния) и высокой критической напряженностью поля (3.3 МВ/см, тогда как у кремния она 0.3 МВ/см). Первый параметр влияет, прежде всего, на рабочий температурный диапазон транзистора: чем больше ширина запрещенной зоны, тем при больших температурах транзистор способен сохранять свои параметры. На практике GaN позволяет создавать транзисторы, работающие при температурах до 225 °С. Кроме того, с этой характеристикой материала связана максимальная электрическая мощность, которой может управлять транзистор. Критическая напряженность поля определяет предельное напряжение, которое может быть приложено к транзистору: при использовании материала с более высоким значением данного параметра прибор с теми же габаритами может управлять большим напряжением. По этим характеристикам видно, что GaN – перспективный материал для создания силовых транзисторов.
Также нитрид галлия позволяет использовать его в СВЧ-технике. Так, по одной из самых важных для этой области характеристик – дрейфовой скорости насыщения электронов – этот материал превосходит кремний в 2-3 раза. По подвижности носителей заряда он соответствует кремнию, но уступает традиционному для СВЧ-транзисторов арсениду галлия. У GaN этот параметр находится на приемлемом уровне, и хотя этот материал в области СВЧ не является безусловным лидером, с учетом характеристик, определяющих совокупность частотных и энергетических свойств прибора, он позволяет создавать СВЧ-транзисторы с уникальной плотностью мощности. Подобные приборы не могут быть изготовлены на основе не только кремния, но и арсенида галлия, обладающего существенно меньшими шириной запрещенной зоны и критической напряженностью поля.
Как видно, без компромиссов обойтись не удается, но совокупность характеристик GaN определяет три сферы, в которых применение данного материала уже показало свою эффективность: оптоэлектроника (светодиоды и твердотельные лазеры), силовые коммутационные и мощные СВЧ-транзисторы.
От теории к практике
Хотя преимущества нитрида галлия были известны достаточно давно, годом рождения GaN-транзитора обычно считается 1993-й, когда в издании Applied Physics Letters была опубликована статья «Металл-полупроводниковый полевой транзистор на основе однокристального нитрида галлия» (M. Asif Khan, J. N. Kuznia, A. R. Bhatarrai, D. T. Olson Metal semiconductor field effect transistor based on single crystal GaN), в которой авторы описывали результаты создания и измерения характеристик MOSFET, полученного на данном материале. А в серийную технику, в особенности широкого потребления, GaN-транзисторы стали приходить еще позже, и по большому счету этот процесс происходит до сих пор.
Одним из сдерживающих факторов развития GaN-технологий было то, что вырастить кристалл этого материала для дальнейшего его использования в качестве самостоятельной подложки достаточно сложно. Поэтому нитрид-галлиевые транзисторы формируются в эпитаксиальных слоях, которые осаждаются на подложки из других материалов. Одним из таких материалов – можно сказать, традиционным – является карбид кремния (SiC). Его преимуществом в данном случае является подобие кристаллической решетки нитриду галлия, что уменьшает число буферных слоев и в целом упрощает процесс создания гетероструктуры. Однако карбид кремния сам по себе дорог, из-за чего и стоимость транзистора оказывается сравнительно высокой.
Компромиссный вариант – сочетание дешевого технологичного кремния и нитрида галлия, который обладает незаурядным сочетанием характеристик. В последнее время были созданы и отработаны эпитаксиальные технологии, позволяющие создавать надежные и качественные гетероструктуры GaN-Si, а дополнительным преимуществом этой технологии является возможность работы с пластинами большого диаметра (на сегодняшний день – до 200 мм), что еще больше удешевляет изготавливаемые приборы.
Перспективы нитрида галлия на кремнии выглядят многообещающими. Так, по оценкам, опубликованным Research and Markets в ноябре этого года, в 2021–2026 годах совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) рынка силовых устройств на основе нитрида галлия будет составлять порядка 19%. При этом GaN-Si занимает на рынке нитрид-галлиевых приборов всё большую долю и по некоторым прогнозам обгонит GaN-SiC уже во второй половине 2020-х, что может быть связано с ростом применения таких приборов в потребительской электронике, в частности в смартфонах, из-за повышения требований к конечным устройствам, а также благодаря дальнейшему удешевлению данной технологии.
Приборы, работающие не в принципе, а в корпусе
Как было отмечено, воронежский Научно-исследовательский институт электронной техники является одним из первых отечественных предприятий, обративших внимание на нитрид-галлиевую технологию для применения в СВЧ- и силовой электронике. К настоящему времени предприятие предлагает более 25 типономиналов мощных СВЧ-приборов на основе нитрида галлия на карбиде кремния в металло-керамических корпусах, выпускаемых серийно и потребляемых промышленностью в общем объеме 25-30 тыс. шт. в год.
Номенклатура АО «НИИЭТ» в области СВЧ-приборов на GaN включает как мощные транзисторы, импульсные и непрерывного действия, так и усилители мощности на их основе, выполненные в транзисторных корпусах и согласованные по входам и выходам для работы в цепях с импедансом 50 Ом. Частоты, перекрываемые GaN-транзисторами предприятия, включают L-, S-, C- и X-диапазоны (от 1 до 12 ГГц), а импульсная мощность этих приборов достигает 400 Вт.
Особого внимания заслуживают нормально закрытые силовые переключающие транзисторы АО «НИИЭТ». Обычно ключевые GaN-транзисторы при нулевом напряжении на затворе находятся в открытым состоянии, и для того, чтобы их закрыть, необходимо подать на затвор отрицательное смещение. Нормально закрытые транзисторы улучшенной структуры работают в режиме обогащения и при нулевом напряжении затвора находятся в закрытом состоянии, а открываются при подаче на затвор напряжения выше определенного порога. Это свойство существенно упрощает схемотехнику драйвера.
В области силовых переключающих транзисторов институтом разработаны приборы на основе нитрида галлия на кремнии c пробивным напряжением сток-исток от 100 до 450 В, постоянным током стока от 20 до 40 А и импульсным током стока от 50 до 115 А.
В настоящее время ведутся разработки нитрид-галлиевых транзисторов с пробивным напряжением сток-исток 600 В. Достижение этого значения качественно расширяет сферу применения данных приборов: такие транзисторы можно использовать для непосредственной коммутации сетевого напряжения 220 В в источниках питания с учетом необходимого запаса по пробивному напряжению.
Технология, доступная для всех
Как было сказано, в настоящее время транзисторы АО «НИИЭТ» выпускаются в металлокерамических корпусах. Это решение благодаря своей надежности и стойкости к внешним воздействиям исторически применяется в технике военного и специального назначения, но на гражданском рынке, в особенности потребительском, оно, как правило, оказывается неконкурентным из-за высокой стоимости.
Институт сейчас рассматривает гражданский рынок как приоритетный. С этим, в частности, связано то, что новые разработки силовых транзисторов ведутся на основе технологии нитрида галлия на кремнии, позволяющей снизить стоимость кристалла. Для дальнейшего удешевления данной продукции и возможности ее реальной конкуренции в том числе на потребительском рынке, безусловно, необходима упаковка транзисторных кристаллов в пластиковые корпуса.
На предприятии ведутся работы по организации нового участка корпусирования в пластик. Проведена предпроектная работа, сформирован технический и финансово-экономический облик проекта перевооружения. Серийный выпуск изделий должен начаться уже во втором полугодии 2022 года. На новом участке, помимо таких востребованных в настоящее время на гражданском рынке изделий, как микроконтроллеры и другие интегральные схемы, будут собираться и дискретные компоненты, разработанные предприятием, и нитрид-галлиевые транзисторы общего назначения не станут исключением. Тогда эти приборы будут доступны широкому кругу разработчиков, в том числе создающих бытовые, потребительские изделия, и помогут им создавать решения, реально конкурентоспособные на этом сложном рынке не только по техническим характеристикам, но и по цене.
Синица уже в руках!
Каким бы позитивным ни выглядело описание преимуществ технологии и возможностей предприятия, всегда хочется увидеть воочию, что всё это дает, подержать в руках готовое изделие. И НИИЭТ готов продемонстрировать, что можно сделать с использованием GaN-технологии.
В 2021 году инженерами предприятия было разработано универсальное зарядное устройство с использованием нитрид-галлиевых силовых переключающих транзисторов, предназначенное для зарядки широкого спектра потребительских устройств – от смартфонов до ноутбуков. Эта разработка выполнена институтом на аппаратурном уровне, и в ней на данный момент используются импортные аналоги транзисторов НИИЭТ: к сожалению, металлокерамические корпуса, как уже говорилось, не позволяют обеспечить конкурентоспособную цену. Однако с освоением корпусирования в пластик предприятие планирует заменить в данном устройстве нитрид-галлиевые транзисторы на приборы собственной разработки.
Данное устройство наглядно демонстрирует преимущества GaN-технологии. Именно благодаря ей удалось достичь выходной мощности адаптера 65 Вт, при том что его габаритные размеры сравнимы с размерами обычной зарядки для смартфонов.
В то же время это может стать хорошим примером того, как отечественная разработка может занять свою нишу на потребительском рынке. Хотя данное устройство не является уникальным на рынке, зарубежные производители стали предлагать такие зарядки относительно недавно, поэтому разработка НИИЭТ вполне способна занять достойное место в их ряду. Устройство уже доступно для заказа и может послужить хорошим корпоративным подарком, тем более что на него могут быть нанесены дополнительные изображения, например, логотип компании. А в ближайшее время оно будет доступно также и для покупки на популярных маркет-плейсах.
Помимо этого, в уходящем году институтом была начата разработка и уже продемонстрирован прототип док-станции для видео-конференц-связи с уникальным набором функций, таких как поворот станции по касанию сенсорного кольца, отслеживание положения докладчика по маркеру и источнику звука, а также беспроводная зарядка подключенного устройства, что реализовано с использованием GaN-транзисторов.
Предприятие планирует и дальше развивать направление продукции гражданского назначения, в том числе с использованием нитрид-галлиевых приборов собственной разработки. Так, на недавно завершившемся конкурсе бизнес-идей, организованном НИИЭТ в рамках I Воронежского фестиваля электроники, науки и робототехники StartET, одно из призовых мест занял студенческий проект беспроводного зарядного устройства для электромобилей, которое должно дистанционно передавать мощность 6.5 кВт, что целесообразно реализовывать с применением силовых приборов на основе GaN. Этот проект – один из тех, которые предприятие уже берет в дальнейшую проработку.
А что пока в небе?
Итак, нитрид-галлиевые технологии обладают большим потенциалом в различных перспективных областях применения, а у АО «НИИЭТ» имеется значительный задел в сфере мощных СВЧ- и силовых переключающих GaN-транзисторов. Целая линейка приборов уже выпускается серийно, а в следующем году предприятием планируется освоение корпусирования в пластик, что расширит сферу применения приборов разработки института в том числе на гражданский рынок.
Но есть один вопрос, который еще ждет своего решения. На текущий момент в России отсутствуют предприятия, способные серийно изготавливать кристаллы по технологии нитрид-галлий на кремнии, поэтому кристальное производство приходится размещать на зарубежных фабриках.
В АО «НИИЭТ» недавно завершилось строительство новых чистых помещений, где внедрено оборудование для изготовления кристаллов полупроводниковых приборов, в том числе СВЧ. Эта площадка вполне может стать базой для организации серийного постростового производства полного цикла по GaN-Si-технологии: для этого необходимо его дооснастить примерно двумя десятками установок. Необходимые для этого инвестиции – сравнительно небольшие по меркам микроэлектронных производств, но всё же они слишком велики для отдельного предприятия. Так что на данный момент развитие данного производства в направлении GaN-Si – вопрос источника финансирования.
Если этот вопрос удастся решить, пазл сложится полностью, и на базе воронежского института будет создан весь цикл технологии нитрид-галлия на кремнии: от разработки полупроводниковых приборов, постростового кристального и сборочного производства ЭКБ и до создания аппаратуры на ее основе.
