Нитрид галлия идет на смену кремнию
Новый материал проникает во многие сферы электроники и имеет шансы стать главным полупроводником. Самый совершенный в мире транзистор создают ученые из России
Давние прогнозы о завершении эпохи кремния могут быть реализованы в ближайшие десять лет. SiliconTech достиг теоретического предела в гонке за мощностью и энергоэффективностью. Крупные игроки, а также многочисленные стартапы полупроводниковой отрасли проводят эксперименты с новыми элементами — карбидом кремния (SiC) и нитридом галлия (GaN). Приоритет, вероятно, будет отдан нитриду галлия. С точки зрения физики он обладает самым сильным козырем — наиболее широкой запрещенной зоной, то есть областью значений энергии, от которой зависит, насколько хорошо материал может проводить электричество. Этот показатель у него равен 3,4 эВ, тогда как у карбида кремния — 3,2 эВ, а у широко используемого кремния — всего 1,1 эВ. Это означает, что GaN-транзисторы способны пропускать через себя больший ток, при этом меньше нагреваясь в процессе работы и переключения по сравнению с кремниевыми аналогами. В зарядных устройствах телефонов, блоков питания ноутбуков и компьютеров подобное преимущество позволяет сохранять постоянные рабочие характеристики и не снижать эффективность при более высоких температурах. Да и в целом кристаллы нитрида галлия более устойчивы к воздействию экстремальных температур — они работоспособны при 300 °C с обычным воздушным охлаждением, тогда как предельная температура для кремниевых чипов не более 150 °C. В теории устройства на основе GaN могут работать в 20 раз быстрее и обеспечивают почти стопроцентный КПД. Подсчитано также, что при производстве GaN-транзисторов выбросы в атмосферу СО2 в 10 раз ниже, и если вся полупроводниковая промышленность перейдет на нитрид галлия, выбросы углерода сократятся на 2,6 Гт в год. По подсчетам Дэна Кинцера, соучредителя ирландской компании Navitas Semiconductor, одного из лидеров рынка альтернативных полупроводников, если к этому прямому экологическому эффекту добавить вклад GaN в создание более компактных, легких и энергоэффективных приложений, получится, что на каждый поставляемый чип нитрид галлия «экономит» 4 кг СО2 по сравнению с кремнием.
Для новой технологической индустрии, к которой стремится мир, — с «зеленой» энергетикой, электромобилями, связью 5G — этот материал подходит по всем параметрам. В том числе по себестоимости изготовления чипов. Если другие перспективные претенденты на роль «нового кремния» при ударных показателях работы слишком дороги в производстве, то нитрид галлия при определенных условиях может стать даже дешевле кремния. Устройства из него можно изготавливать на тех же заводах, что и кремниевые; чипы могут быть обработаны без дорогостоящего оборудования и специальных процессов. Упаковка для Si-устройств, защищающая их от загрязнения или короткого замыкания, часто может составлять половину их цены, для GaN-чипов такая защита не нужна, что значительно снижает их себестоимость.
Подложные инновации
Ответ на вопрос, почему производители микроэлектроники и силовой электроники до сих пор не перешли на использование нитрида галлия, тривиален. Теория по этой теме значительно опережает практику. Промышленное развитие GaNтехнологий, которые начали изучать еще в 60-х годах прошлого века, долгое время сдерживалось тем, что вырастить чистый кристалл нитрида галлия для его дальнейшего использования в качестве самостоятельной подложки оказалось крайне сложно. Долго не удавалось получить кристаллы нужного качества с размерами 150 мм и более, которые подходили бы для индустрии. В связи с этим в 70-е годы работы в США по этому направлению были свернуты, но продолжались в СССР и Японии.
Решение в итоге было найдено: нитрид-галлиевые транзисторы стали формировать в эпитаксиальных слоях, которые осаждали на подложки из других материалов. Интеграция GaN c другими структурами тоже технически сложная задача. Но в ней ученые преуспели. В качестве базы для чипов сегодня в основном используют карбид кремния. Его кристаллическая решетка подобна нитриду галлия, что позволяет уменьшить число буферных слоев и в целом упрощает создание гетероструктуры. Однако SiC сам по себе дорог, из-за чего стоимость транзистора оказывается сравнительно высокой. В последнее время были отработаны технологии, позволяющие создавать надежные и качественные гетероструктуры нитрида галлия на кремнии. Кремний существенно дешевле карбида кремния. Кроме того, он позволяет изготавливать пластины большего диаметра (до 200 мм), что также снижает себестоимость конечных устройств. Велика вероятность, что именно кремниевые подложки станут основной для GaN-транзисторов в наиболее широком применении в гражданской индустрии. Наука при этом продолжает успешно экспериментировать с другими подложками.
На рынке нитрид-галлиевые технологии уже представлены в отдельных продуктах. Впервые применять GaN стали 20 лет назад в лазерах для считывания DVD, которые позволили вмещать в пять раз больше информации, чем CD, и открыли дорогу телевизорам высокого качества. Затем появились легкие и компактные светодиодные лампы, обеспечившие пятикратное снижение потребления электричества от портативных и уличных фонарей и фар автомобилей. Далее — быстрые зарядки мобильных телефонов и блоки питания компьютеров, которые в разы превосходили своих кремниевых предшественников в мощности, компактности, легкости и энергоэффективности. В 2006–2007 годах практически все ведущие мировые электронные компании, так или иначе связанные с производством Si-компонентов, анонсировали инвестиции в GaN-tech. Первыми вышли на рынок японская Eudyna (сейчас Sumitomo Electric Industries) и южнокорейская RFHIC, позднее к ним присоединились Philips, Toshiba, Osram, NEC, Qorvo, NXP и др. Стремительно развиваются стартапы, за которыми охотятся лидеры.
Заряд для рынка
Взрывной рост рынка компонентов с нитридом галлия ожидается в секторе зарядных устройств. По данным TrendForce, к 2025 году, как раз к 60-летнему юбилею закона Мура, PowerGaN достигнут доли 52% в сегменте быстрой зарядки. Согласно исследованию Transparency Market Research, глобальный рынок зарядников на основе GaN к 2031 году вырастет еще на 40,3%; опережающие темпы при этом будет демонстрировать АзиатскоТихоокеанский регион, представленный Китаем, Южной Кореей, Японией и Тайванем. В отчете AllTheResearch прогнозируется, что к 2027 году объем рынка таких устройств превысит 5,2 млрд долларов. Драйвером роста станут зарядники мощностью свыше 100 Вт, хотя сейчас их доля не превышает 10%; подавляющее большинство уже закрепившихся на рынке зарядных устройств с нитридом галлия имеют мощность 55–65 Вт.