Поскольку полупроводники из материалов с широкой запрещенной зоной – как нитрид галлия (GaN), так и карбид кремния (SiC) – продолжают развиваться и эволюционировать, растет и потребность в их производстве. С расширением сферы применения электромобилей, возобновляемых источников энергии, центров обработки данных с искусственным интеллектом и другого промышленного и сельскохозяйственного оборудования, спрос на эти устройства быстро растет.
Таким образом, ключевые поставщики в этой отрасли постепенно переходят на подложки большего диаметра. Если несколько лет назад производители начали переходить со 150-миллиметровых (6-дюймовых) на 200-миллиметровые (8-дюймовые) подложки, то сегодня они готовятся увеличить производительность с помощью 300-миллиметровых (12-дюймовых) производственных линий.
В преддверии открытия крупнейшего в мире и наиболее конкурентоспособного завода по производству силовых полупроводниковых приборов на пластинах SiC диаметром 200 мм в Кулиме, Малайзия, компания Infineon Technologies объявила о разработке первой в мире технологии производства силовых полупроводниковых пластин GaN диаметром 300 мм. Infineon утверждает, что является первым производителем в мире, освоившим эту новаторскую технологию в существующей и масштабируемой производственной среде с большим объемом производства.
Этот прорыв поможет существенно расширить рынок силовых полупроводниковых приборов на основе GaN. По данным Infineon, производство чипов на 300-миллиметровых подложках является технологически более совершенным и значительно более эффективным по сравнению с 200-миллиметровыми аналогами. По словам представителей изготовителя, при большем диаметре пластины на одну подложку помещается в 2.3 раза больше чипов.
В пресс-релизе Infineon сообщается, что компания успешно освоила производство 300-миллиметровых пластин из GaN на интегрированной экспериментальной линии в рамках существующего производства 300-миллиметровых кремниевых (Si) пластин на своем заводе по изготовлению интегральных схем в Филлахе, Австрия (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | Пластина из GaN от Infineon диаметром 300 мм. |
Компания использует хорошо отлаженные технологические процессы на существующем производстве пластин из Si диаметром 300 мм и GaN диаметром 200 мм и, соответственно, планирует дальнейшее расширение мощностей в отношении GaN, что позволит материалу достичь ценового паритета с Si на уровне RDS(ON). Это еще больше простимулирует внедрение микросхем и устройств питания из GaN в широком спектре приложений, что позволит рынку GaN к концу десятилетия достичь нескольких миллиардов долларов США.
«Мы начинаем со среднего напряжения и планируем развивать его в обоих направлениях, представив первые образцы заказчикам к 4 кварталу 2025 года. При производстве по технологии большего диаметра на пластину приходится в 2.3 раза больше чипов, чем по технологии 200 мм, что приводит к повышению экономической эффективности при полном масштабировании. На данный момент мы обрабатываем пластины из GaN толщиной 300 мм на интегрированной экспериментальной линии на существующем производстве Si диаметром 300 мм в Филлахе. У нас есть возможность гибко использовать линии диаметром 300 мм в Филлахе (Австрия) и Дрездене (Германия), поскольку производство может быть легко перенесено с одной площадки на другую. Благодаря производству силовых пластин из GaN диаметром 300 мм компания Infineon является лидером в области технологии GaN и будет продолжать совершенствовать диаметр пластин», – заявил Йоханнес Шойсволь, руководитель бизнес-направления GaN в Infineon Technologies.
Больше производителей устройств из GaN рассматривают изготовление 300-мм подложек
Тем временем компания TI начала производство устройств из GaN на 200-миллиметровых пластинах в Айзу, Япония, а также находится в процессе перехода на 300-миллиметровые пластины GaN-on-Si. В заявлении, опубликованном в конце прошлого года, представители TI сообщили, что их расширенные производственные процессы полностью переведены на 300-миллиметровую технологию. В то же время преимущества в производительности благодаря дополнительному использованию GaN также позволяют компании масштабировать свои устройства из GaN до более высоких напряжений, начиная с 900 В и постепенно повышая их до более высоких напряжений, что способствует повышению энергоэффективности и оптимизации размеров для применения в таких областях, как робототехника, возобновляемые источники энергии и серверные источники питания.
Кроме того, Министерство торговли США выделило компании TI до 1.6 миллиарда долларов в рамках Закона о чипах и науке для финансирования трех новых заводов по производству полупроводниковых пластин диаметром 300 мм, которые строятся в Техасе и Юте.
Аналогично, на выставке Semicon Taiwan 2024 японская компания Shin-Etsu Chemical объявила о разработке технологии изготовления подложек Qromis диаметром 300 мм для выращивания эпитаксиальных слоев из GaN. Компания Shin-Etsu лицензировала эту технологию у калифорнийского изготовителя Qromis, базирующегося в США, в 2019 году. Основным материалом, используемым в данной фирменной подложке, является керамический полиалюминиевый нитрид (poly-AlN), покрытый несколькими герметизирующими слоями, поверх которых находится связующий слой из диоксида кремния (SiO2) и кристаллический слой Si, который служит в качестве зародышевого слоя для эпитаксиального роста GaN.
По словам производителя, подложка Qromis обладает коэффициентом теплового расширения, аналогичным коэффициенту теплового расширения GaN, что приводит к снижению деформации и растрескивания. Таким образом, на пластинах большего диаметра можно выращивать кристаллы из толстых пленок GaN с высокими пробивными напряжениями. Однако компания отказалась от каких-либо комментариев по поводу того, когда она начнет производить микросхемы и устройства питания из GaN на 300-миллиметровой подложке. Кроме того, она не называет ни одного производителя, который работает с ней над разработкой высоковольтных устройств из GaN. Также представитель Shin-Etsu отказался комментировать эксклюзивность сделки с Qromis.
SiC больших диаметров
Кроме того, в стремлении увеличить производительность для удовлетворения потребностей электромобилей, возобновляемых источников энергии, электрического транспорта мировые компании, занимающиеся производством устройств из SiC, такие как Wolfspeed, Infineon, STMicroelectronics, Renesas Electronics и onsemi, переходят на пластины большего диаметра. В настоящее время Infineon осуществляет переход с производства 150-миллиметровых на 200-миллиметровые пластины.
Однако, по словам Питера Фридрихса, вице-президента Infineon Technologies по производству SiC устройств, «Коммерческое использование и готовность к производству подложек из SiC большего диаметра еще далеко в будущем. Infineon будет внимательно следить за дальнейшим прогрессом в области диаметров пластин из SiC и будет постоянно внедрять инновации для удовлетворения потребностей в крупносерийном производстве SiC. В настоящее время Infineon располагает полномасштабными линиями по производству кремния диаметром 300 мм в Филлахе и Дрездене».
В апреле прошлого года корпорация Renesas отпраздновала открытие своего завода по производству силовых полупроводников на 300-миллиметровых пластинах в Кофу, расположенном в городе Кай, префектура Яманаси, Япония. Ожидается, что помимо силовых устройств из кремния на этом заводе также будут производиться устройства из SiC. Несмотря на то, что эта завод планирует начать массовое производство биполярных транзисторов с изолированным затвором и других силовых устройств в 2025 году, ни о каких конкретных устройствах питания из SiC объявлено не было.
Тем временем в Китае компания SICC разработала возможности для производства самых больших в отрасли 300-миллиметровых (12-дюймовых) SiC-подложек N-типа, о которых было объявлено на недавней выставке Electronica 2024 в Мюнхене, Германия (Рисунок 2). По данным SICC, в настоящее время компания продолжает расширять свои мощности по производству 200-миллиметровых SiC пластин в Шанхае.
 |
|
| Рисунок 2. | Китайская компания SICC представила свою 300-миллиметровую подложку из SiC N-типа на выставке Electronica 2024 в Мюнхене, Германия. |
В пресс-релизе компании говорится, что в ее 200-миллиметровых проводящих монокристаллических подложках из 4H-SiC удалось добиться чрезвычайно низкой плотности дислокаций в базисной плоскости, что значительно повышает выход годных устройств из SiC и соответствует самым высоким стандартам безопасности и стабильности.
Кроме того, компания заявила, что ей удалось достичь «нулевой плотности микропор» благодаря точному контролю процесса выращивания кристаллов, что обеспечивает стабильное качество пластин и оптимальные характеристики высокочастотных устройств с высокой выходной мощностью в различных условиях эксплуатации.
