eng
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.199.8.46.58
Дальнейшее развитие силовой электроники связано с совершенствованием мощных полупроводниковых приборов. Возможности традиционной кремниевой технологии практически исчерпаны, дальнейшие перспективы связаны с приборами на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN)
Дальнейшее развитие силовой электроники связано с совершенствованием мощных полупроводниковых приборов. Возможности традиционной кремниевой технологии практически исчерпаны, дальнейшие перспективы связаны с приборами на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN)
Теги: field effect transistors gallium nitride (gan) silicon carbide (sic) карбид кремния (sic) нитрид галлия (gan) полевые транзисторы
Мощные SiC- и GaN‑приборы: перспективы развития
М. Макушин
Дальнейшее развитие силовой электроники связано с совершенствованием мощных полупроводниковых приборов. Возможности традиционной кремниевой технологии практически исчерпаны, дальнейшие перспективы связаны с приборами на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN). В этом плане важны не только технологические прорывы, но и улучшение экосистемы проектирования, производства, бизнес-моделей…
В настоящее время наиболее перспективными считаются SiC‑приборы 3-го поколения на основе широкозонных материалов и GaN‑приборы 5-го поколения. Как правило, по размеру, весу и быстродействию они превосходят кремниевые аналоги. При этом важным фактором их дальнейшего принятия рынком является снижение стоимости.
Перспективы развития SiC‑приборов
(оценка корпорации UnitedSiC)
Третье поколение полупроводниковых приборов на основе SiC обеспечивает сочетание повышения производительности и расширения практических преимуществ во всё большем числе применений. Но с ростом темпов инновационных процессов в таких секторах, как электромобили, возобновляемые источники энергии и 5G‑технологии, разработчики все чаще ищут новые решения и требуют более высоких результатов от технологии переключения мощности для удовлетворения потребительского и промышленного спроса.
В силовой электронике SiC известен как полупроводник с широкой запрещенной зоной (wide bandgap, WBG), который произвел революцию в области преобразования мощности, при этом применение SiC обеспечивает снижение стоимости, веса и размера мощных полупроводниковых приборов и изделий силовой электроники.
SiC FET‑каскоды позволяют формировать WBG‑модули
SiC полевые транзисторы (SiC FET) третьего поколения вышли на передний край технологии WBG‑приборов, они применяются в качестве каскодной компоновки кремниевых МОП полевых транзисторов (Si-MOSFET) и SiC полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (JFET). SiC FET обладают лучшими показателями добротности по относительному сопротивлению площади кристалла во включенном состоянии (RDSON·A) и относительному сопротивлению в выключенном состоянии (RDSON·EOSS) – основным показателям низкой проводимости и малых потерь в переключателях.
Например, сопротивление SiC FET (в абсолютном выражении) фирмы United Silicon Carbide (UnitedSiC, Монмут-Джанкшн, штат Нью-Джерси) во включенном состоянии составляет менее 7 мОм для приборов с рабочим напряжением 650 В и сопротивлением менее 10 мОм при номинальном напряжении 1200 В. При параллельном размещении SiC FET в модуле можно получить более высокие характеристики – так, недавно эта же фирма продемонстрировала модуль в корпусе SOT‑227, общее сопротивление этого 1200-В прибора составляет 2 мОм. Важен и стоимостной фактор – цены на SiC‑приборы снижаются и приближаются к ценам кремниевых приборов.
Основное применение SiC FET – это замена Si-MOSFET и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT).
Современное применение SiC FET
SiC FET в качестве прямой замены IGBT и Si-MOSFET используются для модернизации электромоторов, в инверторах источников бесперебойного питания, сварочных аппаратах, мощных АС-DC / DC-DC‑преобразователях и т. д. В случае электромоторов / электроприводов их эффективность может быть очень быстро повышена без изменения частоты переключения. При этом уменьшаются статические и динамические потери в канале, а также и в цепи драйвера затвора, то есть там, где при использовании IGBT и Si-MOSFET наблюдается значительное рассеивание мощности.
Существуют и другие преимущества, такие как уменьшение размера демпфирующих устройств и даже отказ от коммутирующих диодов, необходимых в IGBT‑приводах. В таких применениях, как инверторы двигателей электромобилей, необходимо добиваться повышения эффективности – если частота при использовании SiC FET по сравнению с IGBT‑решениями увеличивается, двигатели электромобилей смогут работать более эффективно и плавно. В промышленных и автомобильных приводах повышение эффективности ведет к увеличению пробега электромобиля без подзарядки.
Зарядные устройства электромобилей как бортовые, так и стационарные также используют SiC FET. Применение SiC FET вместо IGBT в придорожных быстрых зарядных устройствах, работающих на уровне 100 кВт и более с выходами постоянного тока 400 или 800 В, также приводит к увеличению эффективности. Дискретные устройства SiC FET, распараллеленные по мере необходимости, часто практичнее и дешевле, чем дорогостоящие IGBT‑модули, то есть экономятся денежные затраты и уменьшается потребление энергии.
Будущее SiC FET
Перспективы развития SiC FET определяются постоянно растущими требованиями конечных потребителей по экономии энергии и затрат при одновременном увеличении функциональности. Быстро расширяющиеся рынки применения SiC FET – это инфраструктура 5G‑сетей, электромобили / гибридные автомобили, средства генерации энергии из возобновляемых источников и центры обработки данных (ЦОД). Во всех случаях технология SIC FET следующего поколения даст возможность достигнуть более высокой производительности.
Для улучшения параметров SiC‑приборов разработана маршрутная карта, определяющая тенденции их изменения и возможные компромиссы (рис. 1). Все эти улучшения теоретически достижимы, и можно ожидать, что они появятся по мере дальнейшего развития. Улучшение параметров не всегда связано с уменьшением потерь, хотя это и важно. В плане улучшения характеристик большое значение также имеют увеличение физической прочности и устойчивости к короткому замыканию, достижение более высоких значений пробивного напряжения и снижение теплового сопротивления корпуса (облегчение охлаждения и повышение надежности). Разработчики корпорации UnitedSiC предполагают, что существуют возможности улучшения конструкции корпусов и ячеек SIC FET, что приведет к ожидаемому снижению RDSON·A и сокращению площади кристалла. Все это уменьшает емкостное сопротивление кристалла и, в свою очередь, динамические потери.
Также в рамках SiC‑технологии расширяется применение JFET – они имеют явные преимущества в качестве твердотельных автоматических выключателей и ограничителей тока, так как обладают относительно низким сопротивлением во включенном состоянии. SiC JFETs могут переключаться в тысячи раз быстрее, чем традиционные механические аналоги, при этом вносимые потери остаются низкими.
Таким образом, технология SiC обеспечивает экстремальную устойчивость к высоким пиковым температурам перехода и низкое сопротивление во включенном состоянии с четко определенным током насыщения и быстрым переключением.
Перспективы развития GaN‑приборов
Точка зрения корпорации EPC
На протяжении более 40 лет, по мере внедрения инноваций в MOSFET‑структуры, эффективность приборов управления режимом электропитания росла, а их цена снижалась. Но сейчас, по мере приближения мощных MOSFET к теоретическим пределам улучшения возможностей, темпы совершенствования резко замедлились. Важно отметить, что аналогичные теоретические пределы для GaN в 6 тыс. раз выше, чем у зрелых кремниевых MOSFET и в 300 раз выше, чем у лучших GaN‑приборов, доступных на рынке в настоящее время.
Корпорация Efficient Power Conversion (EPC, Эль-Сегундо, штат Калифорния) производит полевые GaN‑транзисторы с расширенными возможностями (eGaN) уже более 10 лет. Ее приборы 5-го поколения по размерам вдвое меньше предшественников (4-го поколения), но при этом обладают вдвое большим быстродействием, а по цене сопоставимы с MOSFET.
Начальный успех мощных транзисторов и ИС на основе GaN был обусловлен более высоким быстродействием GaN по сравнению с кремнием. Действительно, транзисторы типа «GaN‑на-кремнии» переключаются примерно в 10 раз быстрее, чем MOSFET и в 100 раз быстрее IGBT.
Первыми массовыми применениями, в полной мере реализовавшими высокую коммутационную способность GaN, стали такие приложения, как средства отслеживания РЧ‑огибающих для 4G / LTE базовых станций и лидарные системы для автономных транспортных средств, роботов, БПЛА и систем безопасности. Благодаря коммерческому успеху этих приложений объемы производства мощных GaN‑приборов значительно выросли. Теперь они находятся в точке, где их цены эквивалентны ценам более крупных MOSFET‑компонентов эквивалентной номинальной мощности с меньшей скоростью переключения.
Достижение точки ценовой конкурентоспособности с более традиционными и массовыми MOSFET позволило проектировщикам источников питания шире использовать eGaN полевые транзисторы. Дополнительным стимулом стало то, что они обеспечивают более высокую плотность мощности и позволяют создавать более эффективные источники 48-В постоянного тока. Такие источники, с точки зрения специалистов корпорации EPC, необходимы в высокопроизводительных вычислительных приложениях облачных вычислений, искусственного интеллекта, машинного обучения и игровых приложениях.
Автопроизводители также начинают внедрять топологию распределения мощности 48-В распределительной шины в гибридных автомобилях среднего класса. Автопроизводителям требуются двунаправленные 48- / 14-В преобразователи – высокоэффективные, надежные и экономичные. В ближайшие два-три года в автомобилях появятся eGaN FET, разработанные для некоторых подобных систем.
За пределы дискретных силовых каскадов
Помимо повышения производительности и снижения стоимости, наиболее существенная возможность полупроводниковой GaN‑технологии повлиять на рынок преобразования мощности обусловлена присущей ей возможностью интеграции нескольких приборов на одной подложке. GaN‑технология, по утверждениям разработчиков корпорации EPC, в отличие от стандартной технологии кремниевых ИС, позволяет проектировщикам реализовывать монолитные мощные системы на одном кристалле более простым и экономичным способом, чем это может быть достигнуто с помощью «чисто» кремниевой технологии.
ИС типа «GaN‑на-Si» производятся корпорацией EPC уже более пяти лет. За это время они прошли различные этапы интеграции – от чисто дискретных приборов до монолитных полумостовых компонентов, мощных полевых транзисторов, обладающих собственным монолитно-интегрированным драйвером и, наконец, совсем недавно, до полностью монолитных силовых каскадов, содержащих мощные FET, драйверы, схемы сдвига уровня, логику и защитные средства. Примером такого монолитного каскада является полный силовой каскад с расширенными возможностями еPower Stage, работающий на мегагерцовых частотах и управляемый простой КМОП ИС опорного заземления. При добавлении нескольких пассивных компонентов этот прибор может стать полным регулятором постоянного тока. Он заменяет, по крайней мере, три компонента: драйвер затвора и два FET, что облегчает проектирование и производство. Эта монолитная GaN‑реализация по сравнению с дискретной реализацией экономит не менее 33% занимаемой на печатной плате площади (площадь дискретного решения составляет 30 мм2, а силового каскада еPower Stage – 20 мм2).
Эволюция GaN мощных компонентов продолжается
Монолитные ИС силового каскада (наподобие еPower Stage) выполняют все те же основные функции, что и многокристальный модуль DrMOS на основе кремниевых MOSFET, но при более высоких напряжениях, бóльших скоростях переключения. При этом они отличаются меньшими стоимостью и габаритами. Но это только начало возможностей интеграции приборов типа «GaN‑на-Si». Эти силовые каскады первого поколения содержат только конденсаторы, резисторы и горизонтальные n-канальные FET. Скоро к ним можно будет добавить дополнительные датчики тока и температуры, а также такие схемные блоки, как контрольные (эталонные) схемы, компараторы и операционные усилители. Это позволит построить на одном кристалле ИС интегрированный контроллер и выходной каскад. Также можно будет интегрировать многоуровневые топологии преобразования мощности, что позволит использовать более высокие входные напряжения с мощными приборами, рассчитанными на меньшие напряжения.
В конечном счете, появится возможность монолитной интеграции p-канальных приборов – на основе одной из многих перспективных структур, находящихся в настоящее время в разработке. Как только появится возможность интеграции комплементарных n- и p-канальных приборов, станет возможным и создание КМОП‑схемотехники (но уже не кремниевой, а нитрид-галлиевой), что позволит более эффективно использовать драйверы и логические схемы.
При переходе на очень высокие частоты – выше 30 МГц – размер пассивных компонентов становится настолько мал, что на одном кристалле можно будет интегрировать все компоненты, необходимые для создания полного преобразователя источника питания. Эволюция, начавшаяся с простых дискретных GaN FET, неуклонно движется к завершенным решениям типа «система-на-кристалле» (рис. 2) [2].
Вертикальные GaN‑приборы корпорации NexGen Power Systems –
следующее поколение силовой электроники
Корпорация NexGen Power Systems (Санта-Клара, штат Калифорния) приступила к изготовлению вертикальных мощных полупроводниковых приборов на подложках из гомоэпитаксиального GaN. Эти приборы, обладающие способностью переключения при очень высоких частотах и работы при высоких напряжениях, предназначены для использования в новом поколении более энергоэффективных систем силовой электроники.
Утверждается, что вертикальные GaN‑приборы на 90% меньше аналогичных кремниевых приборов. Их потери при переключении на 67% ниже, чем у кремниевых МОП полевых транзисторов (Si MOSFET) в большинстве стандартных применений, особенно в источниках питания. Как известно, GaN является материалом с широкой запрещенной зоной, что позволяет изготовленным из него приборам работать при более высоких температурах и напряжениях по сравнению с кремниевыми приборами. Более того, GaN обладает бóльшим напряжением пробоя, что позволяет изготавливать более тонкие приборы с низким омическим сопротивлением. Меньшее значение сопротивления области истока / стока во включенном состоянии (RDS(on)) дает возможность создания миниатюрных приборов с низким емкостным сопротивлением.
Всё вышеперечисленное обеспечивает значительные конкурентные преимущества вертикальных мощных полупроводниковых приборов на GaN по сравнению с горизонтальными приборами, изготовленными с применением других материалов – особенно в плане интеграции.
Преимущество выращивания эпитаксиальных слоев с низкой концентрацией дефектов на монолитных GaN‑подложках с низкой концентрацией дефектов заключается в том, что данный подход позволяет создавать вертикальные мощные приборы с повышенной надежностью при недонапряжении и термическом напряжении – по сравнению с горизонтальными GaN‑приборами, изготовленными на других подложках.
Вертикальные GaN‑приборы способны работать при высоком напряжении пробоя (табл. 1), что позволяет использовать их в качестве источников питания в применениях с самыми высокими требованиями, таких как серверы ЦОД, электромобили, инверторы солнечные батареи, электродвигатели и высокоскоростные поезда.
В случае сочетания GaN и Si или SiC рассогласование параметров их решеток ухудшает электрические свойства GaN и влияет на надежность. В случае выращивания GaN‑приборов на GaN‑подложках и параметры решеток, и коэффициент линейного теплового расширения (CTE) идеально сочетаются – это один и тот же материал. В результате на монолитной GaN‑подложке можно эпитаксиально вырастить очень толстые слои GaN, что позволяет создавать очень высоковольтные приборы.
Технология вертикальных GaN‑приборов позволяет реализовать весь потенциал свойств материала GaN, поскольку она основана на гомоэпитаксиальном выращивании GaN на GaN‑подложках. Кроме того, вертикальные GaN‑приборы используют все три пространственные измерения: более высокое пробивное напряжение за счет увеличения толщины дрейфового слоя и низкое сопротивление области истока / стока во включенном состоянии (RDS(on)), допустимая нагрузка по току за счет увеличения площади устройства; позволяют эффективно создавать 3D‑приборы, в которых уменьшена связь напряжения пробоя и допустимой нагрузки по току (RDS(on)).
Системы переменного тока требуют высокоэффективных схем компенсации коэффициента мощности с существенным уменьшением гармонических искажений. Высокая частота переключений вертикальных GaN‑приборов позволяет создавать новые алгоритмы управления и обеспечивает все это с реализациями с меньшими занимаемыми площадями и увеличенной эффективностью.
Схемы JFET с расширенными возможностями (eJFET) и HEMT типа «GaN‑на-Si» показаны на рис. 3. Представители корпорации NexGen заявляют, что им удалось продемонстрировать толщину дрейфового слоя более 40 мкм. Это обеспечивает изготовление диодов с пробивным напряжением выше 4 000 В и транзисторов с удельным сопротивлением 2,8 мОм · см2. Таким образом, при той же самой допустимой нагрузке по току размеры вертикальных GaN приборов оказываются примерно в шесть раз меньше, чем у 650-В HEMT типа «GaN‑на-Si», но они обеспечивают гораздо большее пробивное напряжение – 1 200 В. Вертикальный GaN eJFET имеет возможность лавинного пробоя, которая защищает прибор при превышении заданного пробивного напряжения.
Вертикальные GaN‑приборы формируются так, чтобы проводить ток через дрейфовый слой, находящийся внутри основной части транзистора. Таким образом, отсутствует механизм динамического изменения RDS(on), который создается зарядами, захваченными вследствие наличия примесей на поверхности раздела. Расширение обедненной области затвор-исток диода в канал управляет электрическим током между стоком и истоком. В ситуациях, когда пробивное напряжение превышено, лавина первоначально происходит через область затвор-исток диода с обратной полярностью, что впоследствии вызывает лавинный ток, увеличивающий напряжение этой области и делает канал открытым и проводящим. Из-за малой выходной емкости потери при переключениях очень малы. В отличие от горизонтальных GaN‑приборов тепло оптимально передается через однородный материал (без дополнительных слоев) непосредственно к выводной рамке корпуса (табл. 2) в верхней и нижней части прибора.
Преимущество этого прибора заключается в том, что он имеет только p-n-переходы, сделанные из GaN. Здесь нет двумерных электронных газов и сложных слоев материалов. Вместо этого используется хорошо изученная структура eJFET, и, поскольку она имеет p-n-переходы, есть возможность лавинного пробоя, исключающего разрушительный пробой.
Поскольку все это происходит в монолитной части прибора, она может поглощать изрядную часть энергии во время лавинного пробоя, а после этого события прибор восстанавливается и работает как обычно. Таким образом, он имеет встроенный предохранительный механизм. И поэтому это гораздо более надежный и робастный прибор.
Технология вертикальных GaN‑приборов корпорации NexGen сочетает в себе свойства устройств, которые ранее считались несовместимыми. Основные области применения, где востребован потенциал этой новой технологии – преобразование энергии в автомобилях, потребительских приборах, гелиотехнике, электродвигателях и ЦОД. Реализованные на ее основе приборы обеспечивают более низкие потери на более высоких частотах переключения и лучшую лавинную устойчивость, чем переключательные приборы, созданные с использованием других технологий. Кроме того, вертикальные GaN‑приборы и эффективно конкурирует с кремниевыми приборами по стоимости и габаритам.
Таким образом, вертикальные GaN мощные полупроводниковые приборы позволяют решать весь спектр задач преобразования мощности, которые в настоящее время могут обслуживаться только бóльшим числом приборов, реализованных по различным технологиям.
Обзор рынка мощных GaN- и SiC‑приборов
Силовая электроника развивается за счет внедрения мощных полупроводниковых приборов на основе GaN и SiC. Представители исследовательской корпорации Yole Développement (Yole, Лион, Франция) оценили общее состояние рынка этих приборов на основе WBG‑материалов. В то время как кремний все еще доминирует на рынке, устройства GaN и SiC уже являются более эффективными решениями в некоторых приложениях. С точки зрения разработки, исследования в отношении SiC направлены на улучшение качества пластин и перехода на пластины большего диаметра, а также разработку мощных модулей. В области GaN основные тенденции связаны с интеграцией устройств GaN – решений типа «система в модуле» или «система на кристалле» [4].
Мощные SiC‑приборы
По данным Yole мировые продажи SiC‑приборов в 2019 году увеличились на 28,2% по сравнению с предыдущим годом – с 440 млн до 564 млн долл. Основной фактор роста продаж – спрос со стороны поставщиков аккумуляторов для электромобилей, гелиотехники и источников питания. Предполагается, что в пятилетний период, до 2024 года, среднегодовой рост продаж SiC‑приборов в сложных процентах (CAGR) будет близок к 30%.
На фоне растущего спроса на рынок SiC‑приборов пытаются выйти несколько независимых кремниевых заводов (контрактные производители), стремящихся расширить свою клиентскую базу. Однако сделать это будет не так просто из-за жесткой конкуренции со стороны традиционных вертикально интегрированных поставщиков (IDM) SiC‑приборов, таких как корпорации Cree, Infineon, Rohm и STMicroelectronics [5].
Эксперты Yole отмечают прогресс в переходе на пластины большего диаметра при формировании схем на SiC – в 2018–2020 годах наблюдается переход с пластин диаметром 100 мм на пластины диаметром 150 мм, на которых уже работает ряд производителей.
Однако высококачественные 150-мм пластины по-прежнему сложны в производстве с точки зрения выращивания подложки, а также подготовки поверхности пластин, что напрямую влияет на выход годных. Поэтому для производителей важно использование качественного материала – как для максимизации выхода годных, так и для экономии с точки зрения стоимости продукта в целом.
Инвестиции в данной сфере осуществляются такими ведущими игроками, как Cree, II-VI и SiCrystal, а также китайскими производителями. Многолетние соглашения о поставках подписаны между поставщиками подложек Cree / Wolfspeed и SiCrystal, с одной стороны, и производителями приборов, такими как Infineon и STMicroelectronics, с другой стороны.
ON Semi не только покупает, но и производит собственные SiC‑подложки. У нее также есть соглашение с GTAT о поставках SiC‑кристаллов (для резки на пластины). Для ON Semi важно контролировать качество получаемых материалов, а также вертикально интегрировать их в цепочку поставок (рис. 4, 5).
Партнерские отношения изготовители приборов формируют и с их потребителями. Пример – соглашение STMicroelectronics с Tesla, касающееся в основном поставок SiC основных инверторов, поэтому STMicroelectronics в настоящее время контролирует значительную долю рынка мощных SiC‑приборов. Infineon и ON Semi также принимают активное участие в разработках SiC‑приборов, предназначенных для автомобильных и промышленных систем.
По прогнозам Yole, поставщики будут уделять все больше внимания модулям, ориентированным на приложения высокой мощности, такие как основные инверторы и инфраструктура зарядки.
Отраслевые обозреватели особо подчеркивают, что для корпусирования мощных SiC‑модулей необходимо разработать новые типы корпусов и методы корпусирования, которые, в отличие от существующих, будут лучше приспособлены к карбиду кремния [4].
Общая ситуация в области SiC мощных полупроводниковых приборов
На рынке SiC‑приборов в настоящее время доминируют IDM, включая Cree, Rohm и т. д. Они осуществляют производство на собственных заводах по обработке пластин, под своими товарными знаками и с использованием фирменных процессов, что позволяет дифференцировать выпускаемую продукцию. IDM конкурируют друг с другом, а также с растущим числом fabless-фирм («чистые» разработчики), проектирующих SiC‑приборы, изготавливаемые на мощностях кремниевых заводов. Кремниевые заводы, обладающие SiC технологическими процессами, предоставляют клиентам доступ к производственным мощностям, но при этом есть некоторые проблемы с затратами и цепочками поставок. Как правило, IDM, выпускающие SiC‑приборы, не предоставляют услуги контрактного производства, но это может измениться.
Кремниевые заводы только начинают осваивать сектор SiC‑приборов. При этом они рассчитывают достичь здесь тех же успехов, что на рынке полупроводниковых приборов в целом. Надо отметить, что крупнейшие кремниевые заводы, такие как TSMC, Samsung (корпорация является одним из крупнейших IDM, но оказывает услуги кремниевого завода на мощностях специализированного подразделения), GlobalFoundries и UMC не работают в секторе SiC‑приборов, пока это удел кремниевых заводов второго уровня. Действительно, в целом модель кремниевого завода очень успешна. В области SiC‑приборов у нее тоже неплохие шансы, но если говорить о таком типе полупроводниковых приборов, таких как IGBT, то это скорее бизнес IDM.
О развитии услуг кремниевых заводов на рынке SiC‑приборов свидетельствуют следующие факты:
Мир SiC IDM
Почему в секторе мощных MOSFET, особенно SiC‑приборов, наблюдается доминирование IDM, использующих собственные заводы по обработке пластин? На это есть несколько причин. Каждый новый прибор разрабатывается и оптимизируется на основе избранного процесса в рамках одного завода по обработке пластин. Прибор и технологический процесс оказываются тесно связаны в этих рамках. Здесь не получается отличиться от конкурента за счет схемотехники, потому что мощные SiC не совсем схемы с традиционной точки зрения, а множество соединенных параллельно дискретных MOSFET. Конструкция прибора полностью зависит от процесса и наоборот. Другими словами, стандартного процесса нет, структура отношений с каждым клиентом уникальна.
Итак, основной работающей на рынке SiC‑приборов моделью в настоящее время является модель IDM. Здесь она представлена корпорациями Cree, Infineon, On Semiconductor, STMicroelectronics, Rohm, Toshiba и т. д. Но не все IDM одинаковы. Некоторые из них полностью вертикально интегрированы. Например, корпорация Cree производит свои собственные SiC‑подложки и использует их не только для производства собственных SiC‑приборов, поставляемых заказчикам, но и продает подложки конкурентам. Корпорации Rohm и STMicroelectronics также вертикально интегрированы, а поэтому, как и Cree, могут контролировать всю цепочку поставок, что позволяет быстро реагировать на циклы спроса. Но большинство IDM не является вертикально интегрированными в полном смысле – они покупают подложки у Cree, Rohm или независимых поставщиков.
У всех поставщиков SiC‑приборов существует несколько общих производственных проблем. Самая большая – высокая стоимость SiC‑пластин, определяющая высокую стоимость конечных приборов. Затраты на подложку составляют примерно 50% от стоимости обработанной пластины. Необходимо добиться снижения стоимости и увеличения производства подложек наряду с повышением их качества.
Отмечается, что, несмотря на значительные усилия по расширению коммерциализации SiC‑технологии, она все еще не достаточно готова по сравнению с технологиями IGBT на основе кремния. Это особенно верно в автомобилестроении, где надежность имеет решающее значение, а сертификация продукции может быть сложной и длительной. Чтобы закрыть этот пробел и ускорить освоение SiC‑технологии, требуется целостное понимание дефектности при изготовлении SiC‑приборов.
Модель fabless-foundry
Заказчики могут приобрести SiC‑приборы у IDM и fabless-фирм (для которых их производят кремниевые заводы). В области КМОП‑приборов второй вариант часто называют моделью fabless-foundry, которая была впервые представлена еще в 1980-х годах.
Для сектора SIC‑приборов модель fabless-foundry относительно нова и сталкивается с рядом проблем. Хотя в обозримом будущем на рынке SiC‑приборов будут продолжать доминировать IDM, место для fabless-фирм и кремниевых заводов найдется. Несколько fabless-фирм уже успешно наращивает производство продукции с использованием мощностей кремниевых заводов.
Модель fabless-foundry позволяет стартапам и небольшим компаниям тестировать свои продукты без значительного инвестиционного процесса (в частности за счет практики «многопроектных» пластин). С другой стороны, IDM сохраняют преимущество стратегических поставщиков, которым отдают предпочтение крупные клиенты. Обе модели играют на своих сильных сторонах, удовлетворяя разнообразные потребности современного индустриального ландшафта и находя способы сосуществования.
На протяжении многих лет несколько поставщиков оказывали услуги кремниевого завода для поставщиков SIC‑приборов, но в незначительных объемах. Существенные усилия по расширению применения этой практики начались в 2015 году, когда министерство энергетики США и Университет штата Северная Каролина создали совместное предприятие PowerAmerica с целью ускорить коммерциализацию GaN- и SiC‑технологий. Это СП в 2016 году оказало поддержку кремниевому заводу X-Fab, развивавшему (и развивающему до сих пор) услуги кремниевого завода на своем предприятии по обработке 150-мм SiC‑пластин в Техасе. PowerAmerica и X-Fab вместе разработали наборы средств проектирования технологических процессов и ряд технологий для изготовления SiC‑приборов.
Другие кремниевые заводы также разрабатывают предложения по контрактному изготовлению SiC‑приборов. Так, фирма Episil находится в процессе перевода своих мощностей с обработки 100-мм пластин на обработку 150-мм пластин. Фирма Sanan приступила к контрактному производству SiC‑приборов на 150-мм пластинах. Отмечается, что все большее число кремниевых заводов заинтересовано в выходе на данный рынок.
Но развитие услуг кремниевых заводов в секторе SiC‑приборов сопряжено с некоторыми проблемами. В частности, необходимы инвестиции в производство и соответствующую инфраструктуру, удовлетворяющие требованиям потребителей мощных SiC‑приборов.
К другим проблемам можно отнести:
Несмотря на перечисленные трудности, некоторые fabless-поставщики SiC‑приборов производят свою продукцию с использованием услуг кремниевых заводов. К ним относятся фирмы ABB, GeneSiC, Global Power, Microchip, Monolith и UnitedSiC.
Еще один довод в пользу кремниевых заводов – объемы производства. Если какой-либо фирме в месяц требуется не более 10–30 тыс. пластин со сформированными SiC‑приборами, то нет экономического смысла обладать собственным заводом по обработке SiC‑пластин. Лишь немногие производители могут похвастаться такими объемами.
Наличие кремниевых заводов – только часть уравнения, которое решают fabless-фирмы. Им необходимо не просто проектировать MOSFET по принципу «тоже можем», а создавать конкурентоспособную продукцию. Для этого необходимо как четко очертить границы сотрудничества с кремниевыми заводами, так и определить основные IDM конкурентов, выработать рыночную стратегию, гарантирующую рентабельность деятельности.
Например, fabless-фирма UnitedSiC предлагает несколько изделий, в том числе SiC JFET, которые затем собираются в каскодную схему с низковольтными MOSFET, то есть в результате – достаточно сложные приборы. Учитывая то, что некоторые клиенты опасаются иметь дело с fabless-фирмами, компания UnitedSiC обеспечила себе устойчивую поддержку. Например, она заключила соглашение о долгосрочных поставках с корпорацией ADI, которая, чтобы гарантировать эти поставки, осуществила инвестиции в UnitedSiC.
Тем не менее для fabless-фирм конкуренция с IDM будет трудной задачей как с точки зрения затрат на развитие технологий, так и с точки зрения ценообразования.
Есть и другие обстоятельства. В области КМОП‑приборов многие IDM перестали строить новейшие заводы по обработке пластин из-за их запредельной стоимости. Вместо этого они передали часть производства своей продукции на аутсорсинг кремниевым заводам. Неясно, будет ли модель аутсорсинга работать для IDM, выпускающих SiС‑приборы. У них уже есть огромные, полностью амортизированные заводы по обработке пластин, выпускающие или выпускавшие КМОП ИС по зрелым технологиям, и им будет выгоднее переоборудовать эти мощности с производства КМОП‑приборов на производство SiC‑приборов, нарастить их производство и, может быть, начать самим оказывать услуги кремниевого завода. У них нет мотивации использовать сторонние кремниевые заводы [5].
Мощные GaN‑приборы
В области мощных GaN‑приборов одной из основных тенденций стало сотрудничество их поставщиков с такими известными кремниевыми заводами, как Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), X-Fab или Episil Technologies (в целях снижения издержек производства).
Мощные GaN‑приборы продаются в основном на рынке бытовой электроники – для быстрых зарядных устройств (рис. 6). Происходит активное освоение этих устройств. Основные требования к быстрому зарядному устройству – плотность мощности и эффективность.
Таким образом, необходимо снижать габариты и удельную цену мощности. Основными решениями, которые сейчас предлагаются для быстрых зарядных устройств, являются GaN системы-в-модуле и GaN системы-на-кристалле.
Быстрые зарядные устройства уже широко осваиваются китайскими производителями комплектного оборудования (OEM) – им их поставляют такие поставщики, как Navitas и Power Integrations.
Мощные GaN‑приборы изготавливаются на двух типах подложек: кремниевых и сапфировых. Приборы типа «GaN‑на-Si» производятся в основном на 150-мм пластинах, хотя некоторые поставщики для их изготовления применяют 200-мм пластины (рис. 7).
Мощные дискретные приборы на основе GaN по-прежнему будут пользоваться спросом, но они больше подходят для приложений с высокой мощностью, например для ЦОД или источников питания базовых станций.
Отмечается, что замена кремниевой технологии на GaN‑технологию в секторе мощных полупроводниковых приборов обусловлена прежде всего большей эффективностью и скоростью переключения GaN‑решений, а также меньшими потерями самих источников питания.
* * *
При развитии рынков SiC- и GaN-приборов важными факторами являются ценовая конкурентоспособность и выбор бизнес-модели. Многое в этом плане зависит от конкретного сегмента рынка. При этом ожидаемый выход на рынок мощных полупроводниковых приборов крупнейших кремниевых заводов наподобие TSMC, UMC и т. д. может привести к существенным изменениям конъюнктуры.
Литература
Bhalla A. How SiC Devices Have Changed the Face of Semiconductor Sector // EE Times. 06.08.2020.
https://www.eetimes.com/how-sic-devices-have-changed-the-face-of-semiconductor-sector/
Lidow A. Silicon Is Dead… and Discrete Power Devices Are Dying // EE Times. 06.09.2020.
https://www.eetimes.com/silicon-is-deadand-discrete-power-devices-are-dying/
Emilio M. Di P. Vertical GaN Devices – the Next Generation of Power Electronics // EE Times. 05.16.2020.
https://www.eetimes.com/vertical-gan-devices-the-next-generation-of-power-electronics/
Emilio M. Di P. Insight of GaN and SiC Market // EETimes magazine. 07.27.2020.
https://www.eetimes.com/insight-of-gan-and-sic-market/
LaPedus M. SiC Foundry Business Emerges // Semiconductor Engineering. January 23rd. 2020.
https://semiengineering.com/sic-foundry-business-emerges/
М. Макушин
Дальнейшее развитие силовой электроники связано с совершенствованием мощных полупроводниковых приборов. Возможности традиционной кремниевой технологии практически исчерпаны, дальнейшие перспективы связаны с приборами на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN). В этом плане важны не только технологические прорывы, но и улучшение экосистемы проектирования, производства, бизнес-моделей…
В настоящее время наиболее перспективными считаются SiC‑приборы 3-го поколения на основе широкозонных материалов и GaN‑приборы 5-го поколения. Как правило, по размеру, весу и быстродействию они превосходят кремниевые аналоги. При этом важным фактором их дальнейшего принятия рынком является снижение стоимости.
Перспективы развития SiC‑приборов
(оценка корпорации UnitedSiC)
Третье поколение полупроводниковых приборов на основе SiC обеспечивает сочетание повышения производительности и расширения практических преимуществ во всё большем числе применений. Но с ростом темпов инновационных процессов в таких секторах, как электромобили, возобновляемые источники энергии и 5G‑технологии, разработчики все чаще ищут новые решения и требуют более высоких результатов от технологии переключения мощности для удовлетворения потребительского и промышленного спроса.
В силовой электронике SiC известен как полупроводник с широкой запрещенной зоной (wide bandgap, WBG), который произвел революцию в области преобразования мощности, при этом применение SiC обеспечивает снижение стоимости, веса и размера мощных полупроводниковых приборов и изделий силовой электроники.
SiC FET‑каскоды позволяют формировать WBG‑модули
SiC полевые транзисторы (SiC FET) третьего поколения вышли на передний край технологии WBG‑приборов, они применяются в качестве каскодной компоновки кремниевых МОП полевых транзисторов (Si-MOSFET) и SiC полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (JFET). SiC FET обладают лучшими показателями добротности по относительному сопротивлению площади кристалла во включенном состоянии (RDSON·A) и относительному сопротивлению в выключенном состоянии (RDSON·EOSS) – основным показателям низкой проводимости и малых потерь в переключателях.
Например, сопротивление SiC FET (в абсолютном выражении) фирмы United Silicon Carbide (UnitedSiC, Монмут-Джанкшн, штат Нью-Джерси) во включенном состоянии составляет менее 7 мОм для приборов с рабочим напряжением 650 В и сопротивлением менее 10 мОм при номинальном напряжении 1200 В. При параллельном размещении SiC FET в модуле можно получить более высокие характеристики – так, недавно эта же фирма продемонстрировала модуль в корпусе SOT‑227, общее сопротивление этого 1200-В прибора составляет 2 мОм. Важен и стоимостной фактор – цены на SiC‑приборы снижаются и приближаются к ценам кремниевых приборов.
Основное применение SiC FET – это замена Si-MOSFET и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT).
Современное применение SiC FET
SiC FET в качестве прямой замены IGBT и Si-MOSFET используются для модернизации электромоторов, в инверторах источников бесперебойного питания, сварочных аппаратах, мощных АС-DC / DC-DC‑преобразователях и т. д. В случае электромоторов / электроприводов их эффективность может быть очень быстро повышена без изменения частоты переключения. При этом уменьшаются статические и динамические потери в канале, а также и в цепи драйвера затвора, то есть там, где при использовании IGBT и Si-MOSFET наблюдается значительное рассеивание мощности.
Существуют и другие преимущества, такие как уменьшение размера демпфирующих устройств и даже отказ от коммутирующих диодов, необходимых в IGBT‑приводах. В таких применениях, как инверторы двигателей электромобилей, необходимо добиваться повышения эффективности – если частота при использовании SiC FET по сравнению с IGBT‑решениями увеличивается, двигатели электромобилей смогут работать более эффективно и плавно. В промышленных и автомобильных приводах повышение эффективности ведет к увеличению пробега электромобиля без подзарядки.
Зарядные устройства электромобилей как бортовые, так и стационарные также используют SiC FET. Применение SiC FET вместо IGBT в придорожных быстрых зарядных устройствах, работающих на уровне 100 кВт и более с выходами постоянного тока 400 или 800 В, также приводит к увеличению эффективности. Дискретные устройства SiC FET, распараллеленные по мере необходимости, часто практичнее и дешевле, чем дорогостоящие IGBT‑модули, то есть экономятся денежные затраты и уменьшается потребление энергии.
Будущее SiC FET
Перспективы развития SiC FET определяются постоянно растущими требованиями конечных потребителей по экономии энергии и затрат при одновременном увеличении функциональности. Быстро расширяющиеся рынки применения SiC FET – это инфраструктура 5G‑сетей, электромобили / гибридные автомобили, средства генерации энергии из возобновляемых источников и центры обработки данных (ЦОД). Во всех случаях технология SIC FET следующего поколения даст возможность достигнуть более высокой производительности.
Для улучшения параметров SiC‑приборов разработана маршрутная карта, определяющая тенденции их изменения и возможные компромиссы (рис. 1). Все эти улучшения теоретически достижимы, и можно ожидать, что они появятся по мере дальнейшего развития. Улучшение параметров не всегда связано с уменьшением потерь, хотя это и важно. В плане улучшения характеристик большое значение также имеют увеличение физической прочности и устойчивости к короткому замыканию, достижение более высоких значений пробивного напряжения и снижение теплового сопротивления корпуса (облегчение охлаждения и повышение надежности). Разработчики корпорации UnitedSiC предполагают, что существуют возможности улучшения конструкции корпусов и ячеек SIC FET, что приведет к ожидаемому снижению RDSON·A и сокращению площади кристалла. Все это уменьшает емкостное сопротивление кристалла и, в свою очередь, динамические потери.
Также в рамках SiC‑технологии расширяется применение JFET – они имеют явные преимущества в качестве твердотельных автоматических выключателей и ограничителей тока, так как обладают относительно низким сопротивлением во включенном состоянии. SiC JFETs могут переключаться в тысячи раз быстрее, чем традиционные механические аналоги, при этом вносимые потери остаются низкими.
Таким образом, технология SiC обеспечивает экстремальную устойчивость к высоким пиковым температурам перехода и низкое сопротивление во включенном состоянии с четко определенным током насыщения и быстрым переключением.
Перспективы развития GaN‑приборов
Точка зрения корпорации EPC
На протяжении более 40 лет, по мере внедрения инноваций в MOSFET‑структуры, эффективность приборов управления режимом электропитания росла, а их цена снижалась. Но сейчас, по мере приближения мощных MOSFET к теоретическим пределам улучшения возможностей, темпы совершенствования резко замедлились. Важно отметить, что аналогичные теоретические пределы для GaN в 6 тыс. раз выше, чем у зрелых кремниевых MOSFET и в 300 раз выше, чем у лучших GaN‑приборов, доступных на рынке в настоящее время.
Корпорация Efficient Power Conversion (EPC, Эль-Сегундо, штат Калифорния) производит полевые GaN‑транзисторы с расширенными возможностями (eGaN) уже более 10 лет. Ее приборы 5-го поколения по размерам вдвое меньше предшественников (4-го поколения), но при этом обладают вдвое большим быстродействием, а по цене сопоставимы с MOSFET.
Начальный успех мощных транзисторов и ИС на основе GaN был обусловлен более высоким быстродействием GaN по сравнению с кремнием. Действительно, транзисторы типа «GaN‑на-кремнии» переключаются примерно в 10 раз быстрее, чем MOSFET и в 100 раз быстрее IGBT.
Первыми массовыми применениями, в полной мере реализовавшими высокую коммутационную способность GaN, стали такие приложения, как средства отслеживания РЧ‑огибающих для 4G / LTE базовых станций и лидарные системы для автономных транспортных средств, роботов, БПЛА и систем безопасности. Благодаря коммерческому успеху этих приложений объемы производства мощных GaN‑приборов значительно выросли. Теперь они находятся в точке, где их цены эквивалентны ценам более крупных MOSFET‑компонентов эквивалентной номинальной мощности с меньшей скоростью переключения.
Достижение точки ценовой конкурентоспособности с более традиционными и массовыми MOSFET позволило проектировщикам источников питания шире использовать eGaN полевые транзисторы. Дополнительным стимулом стало то, что они обеспечивают более высокую плотность мощности и позволяют создавать более эффективные источники 48-В постоянного тока. Такие источники, с точки зрения специалистов корпорации EPC, необходимы в высокопроизводительных вычислительных приложениях облачных вычислений, искусственного интеллекта, машинного обучения и игровых приложениях.
Автопроизводители также начинают внедрять топологию распределения мощности 48-В распределительной шины в гибридных автомобилях среднего класса. Автопроизводителям требуются двунаправленные 48- / 14-В преобразователи – высокоэффективные, надежные и экономичные. В ближайшие два-три года в автомобилях появятся eGaN FET, разработанные для некоторых подобных систем.
За пределы дискретных силовых каскадов
Помимо повышения производительности и снижения стоимости, наиболее существенная возможность полупроводниковой GaN‑технологии повлиять на рынок преобразования мощности обусловлена присущей ей возможностью интеграции нескольких приборов на одной подложке. GaN‑технология, по утверждениям разработчиков корпорации EPC, в отличие от стандартной технологии кремниевых ИС, позволяет проектировщикам реализовывать монолитные мощные системы на одном кристалле более простым и экономичным способом, чем это может быть достигнуто с помощью «чисто» кремниевой технологии.
ИС типа «GaN‑на-Si» производятся корпорацией EPC уже более пяти лет. За это время они прошли различные этапы интеграции – от чисто дискретных приборов до монолитных полумостовых компонентов, мощных полевых транзисторов, обладающих собственным монолитно-интегрированным драйвером и, наконец, совсем недавно, до полностью монолитных силовых каскадов, содержащих мощные FET, драйверы, схемы сдвига уровня, логику и защитные средства. Примером такого монолитного каскада является полный силовой каскад с расширенными возможностями еPower Stage, работающий на мегагерцовых частотах и управляемый простой КМОП ИС опорного заземления. При добавлении нескольких пассивных компонентов этот прибор может стать полным регулятором постоянного тока. Он заменяет, по крайней мере, три компонента: драйвер затвора и два FET, что облегчает проектирование и производство. Эта монолитная GaN‑реализация по сравнению с дискретной реализацией экономит не менее 33% занимаемой на печатной плате площади (площадь дискретного решения составляет 30 мм2, а силового каскада еPower Stage – 20 мм2).
Эволюция GaN мощных компонентов продолжается
Монолитные ИС силового каскада (наподобие еPower Stage) выполняют все те же основные функции, что и многокристальный модуль DrMOS на основе кремниевых MOSFET, но при более высоких напряжениях, бóльших скоростях переключения. При этом они отличаются меньшими стоимостью и габаритами. Но это только начало возможностей интеграции приборов типа «GaN‑на-Si». Эти силовые каскады первого поколения содержат только конденсаторы, резисторы и горизонтальные n-канальные FET. Скоро к ним можно будет добавить дополнительные датчики тока и температуры, а также такие схемные блоки, как контрольные (эталонные) схемы, компараторы и операционные усилители. Это позволит построить на одном кристалле ИС интегрированный контроллер и выходной каскад. Также можно будет интегрировать многоуровневые топологии преобразования мощности, что позволит использовать более высокие входные напряжения с мощными приборами, рассчитанными на меньшие напряжения.
В конечном счете, появится возможность монолитной интеграции p-канальных приборов – на основе одной из многих перспективных структур, находящихся в настоящее время в разработке. Как только появится возможность интеграции комплементарных n- и p-канальных приборов, станет возможным и создание КМОП‑схемотехники (но уже не кремниевой, а нитрид-галлиевой), что позволит более эффективно использовать драйверы и логические схемы.
При переходе на очень высокие частоты – выше 30 МГц – размер пассивных компонентов становится настолько мал, что на одном кристалле можно будет интегрировать все компоненты, необходимые для создания полного преобразователя источника питания. Эволюция, начавшаяся с простых дискретных GaN FET, неуклонно движется к завершенным решениям типа «система-на-кристалле» (рис. 2) [2].
Вертикальные GaN‑приборы корпорации NexGen Power Systems –
следующее поколение силовой электроники
Корпорация NexGen Power Systems (Санта-Клара, штат Калифорния) приступила к изготовлению вертикальных мощных полупроводниковых приборов на подложках из гомоэпитаксиального GaN. Эти приборы, обладающие способностью переключения при очень высоких частотах и работы при высоких напряжениях, предназначены для использования в новом поколении более энергоэффективных систем силовой электроники.
Утверждается, что вертикальные GaN‑приборы на 90% меньше аналогичных кремниевых приборов. Их потери при переключении на 67% ниже, чем у кремниевых МОП полевых транзисторов (Si MOSFET) в большинстве стандартных применений, особенно в источниках питания. Как известно, GaN является материалом с широкой запрещенной зоной, что позволяет изготовленным из него приборам работать при более высоких температурах и напряжениях по сравнению с кремниевыми приборами. Более того, GaN обладает бóльшим напряжением пробоя, что позволяет изготавливать более тонкие приборы с низким омическим сопротивлением. Меньшее значение сопротивления области истока / стока во включенном состоянии (RDS(on)) дает возможность создания миниатюрных приборов с низким емкостным сопротивлением.
Всё вышеперечисленное обеспечивает значительные конкурентные преимущества вертикальных мощных полупроводниковых приборов на GaN по сравнению с горизонтальными приборами, изготовленными с применением других материалов – особенно в плане интеграции.
Преимущество выращивания эпитаксиальных слоев с низкой концентрацией дефектов на монолитных GaN‑подложках с низкой концентрацией дефектов заключается в том, что данный подход позволяет создавать вертикальные мощные приборы с повышенной надежностью при недонапряжении и термическом напряжении – по сравнению с горизонтальными GaN‑приборами, изготовленными на других подложках.
Вертикальные GaN‑приборы способны работать при высоком напряжении пробоя (табл. 1), что позволяет использовать их в качестве источников питания в применениях с самыми высокими требованиями, таких как серверы ЦОД, электромобили, инверторы солнечные батареи, электродвигатели и высокоскоростные поезда.
В случае сочетания GaN и Si или SiC рассогласование параметров их решеток ухудшает электрические свойства GaN и влияет на надежность. В случае выращивания GaN‑приборов на GaN‑подложках и параметры решеток, и коэффициент линейного теплового расширения (CTE) идеально сочетаются – это один и тот же материал. В результате на монолитной GaN‑подложке можно эпитаксиально вырастить очень толстые слои GaN, что позволяет создавать очень высоковольтные приборы.
Технология вертикальных GaN‑приборов позволяет реализовать весь потенциал свойств материала GaN, поскольку она основана на гомоэпитаксиальном выращивании GaN на GaN‑подложках. Кроме того, вертикальные GaN‑приборы используют все три пространственные измерения: более высокое пробивное напряжение за счет увеличения толщины дрейфового слоя и низкое сопротивление области истока / стока во включенном состоянии (RDS(on)), допустимая нагрузка по току за счет увеличения площади устройства; позволяют эффективно создавать 3D‑приборы, в которых уменьшена связь напряжения пробоя и допустимой нагрузки по току (RDS(on)).
Системы переменного тока требуют высокоэффективных схем компенсации коэффициента мощности с существенным уменьшением гармонических искажений. Высокая частота переключений вертикальных GaN‑приборов позволяет создавать новые алгоритмы управления и обеспечивает все это с реализациями с меньшими занимаемыми площадями и увеличенной эффективностью.
Схемы JFET с расширенными возможностями (eJFET) и HEMT типа «GaN‑на-Si» показаны на рис. 3. Представители корпорации NexGen заявляют, что им удалось продемонстрировать толщину дрейфового слоя более 40 мкм. Это обеспечивает изготовление диодов с пробивным напряжением выше 4 000 В и транзисторов с удельным сопротивлением 2,8 мОм · см2. Таким образом, при той же самой допустимой нагрузке по току размеры вертикальных GaN приборов оказываются примерно в шесть раз меньше, чем у 650-В HEMT типа «GaN‑на-Si», но они обеспечивают гораздо большее пробивное напряжение – 1 200 В. Вертикальный GaN eJFET имеет возможность лавинного пробоя, которая защищает прибор при превышении заданного пробивного напряжения.
Вертикальные GaN‑приборы формируются так, чтобы проводить ток через дрейфовый слой, находящийся внутри основной части транзистора. Таким образом, отсутствует механизм динамического изменения RDS(on), который создается зарядами, захваченными вследствие наличия примесей на поверхности раздела. Расширение обедненной области затвор-исток диода в канал управляет электрическим током между стоком и истоком. В ситуациях, когда пробивное напряжение превышено, лавина первоначально происходит через область затвор-исток диода с обратной полярностью, что впоследствии вызывает лавинный ток, увеличивающий напряжение этой области и делает канал открытым и проводящим. Из-за малой выходной емкости потери при переключениях очень малы. В отличие от горизонтальных GaN‑приборов тепло оптимально передается через однородный материал (без дополнительных слоев) непосредственно к выводной рамке корпуса (табл. 2) в верхней и нижней части прибора.
Преимущество этого прибора заключается в том, что он имеет только p-n-переходы, сделанные из GaN. Здесь нет двумерных электронных газов и сложных слоев материалов. Вместо этого используется хорошо изученная структура eJFET, и, поскольку она имеет p-n-переходы, есть возможность лавинного пробоя, исключающего разрушительный пробой.
Поскольку все это происходит в монолитной части прибора, она может поглощать изрядную часть энергии во время лавинного пробоя, а после этого события прибор восстанавливается и работает как обычно. Таким образом, он имеет встроенный предохранительный механизм. И поэтому это гораздо более надежный и робастный прибор.
Технология вертикальных GaN‑приборов корпорации NexGen сочетает в себе свойства устройств, которые ранее считались несовместимыми. Основные области применения, где востребован потенциал этой новой технологии – преобразование энергии в автомобилях, потребительских приборах, гелиотехнике, электродвигателях и ЦОД. Реализованные на ее основе приборы обеспечивают более низкие потери на более высоких частотах переключения и лучшую лавинную устойчивость, чем переключательные приборы, созданные с использованием других технологий. Кроме того, вертикальные GaN‑приборы и эффективно конкурирует с кремниевыми приборами по стоимости и габаритам.
Таким образом, вертикальные GaN мощные полупроводниковые приборы позволяют решать весь спектр задач преобразования мощности, которые в настоящее время могут обслуживаться только бóльшим числом приборов, реализованных по различным технологиям.
Обзор рынка мощных GaN- и SiC‑приборов
Силовая электроника развивается за счет внедрения мощных полупроводниковых приборов на основе GaN и SiC. Представители исследовательской корпорации Yole Développement (Yole, Лион, Франция) оценили общее состояние рынка этих приборов на основе WBG‑материалов. В то время как кремний все еще доминирует на рынке, устройства GaN и SiC уже являются более эффективными решениями в некоторых приложениях. С точки зрения разработки, исследования в отношении SiC направлены на улучшение качества пластин и перехода на пластины большего диаметра, а также разработку мощных модулей. В области GaN основные тенденции связаны с интеграцией устройств GaN – решений типа «система в модуле» или «система на кристалле» [4].
Мощные SiC‑приборы
По данным Yole мировые продажи SiC‑приборов в 2019 году увеличились на 28,2% по сравнению с предыдущим годом – с 440 млн до 564 млн долл. Основной фактор роста продаж – спрос со стороны поставщиков аккумуляторов для электромобилей, гелиотехники и источников питания. Предполагается, что в пятилетний период, до 2024 года, среднегодовой рост продаж SiC‑приборов в сложных процентах (CAGR) будет близок к 30%.
На фоне растущего спроса на рынок SiC‑приборов пытаются выйти несколько независимых кремниевых заводов (контрактные производители), стремящихся расширить свою клиентскую базу. Однако сделать это будет не так просто из-за жесткой конкуренции со стороны традиционных вертикально интегрированных поставщиков (IDM) SiC‑приборов, таких как корпорации Cree, Infineon, Rohm и STMicroelectronics [5].
Эксперты Yole отмечают прогресс в переходе на пластины большего диаметра при формировании схем на SiC – в 2018–2020 годах наблюдается переход с пластин диаметром 100 мм на пластины диаметром 150 мм, на которых уже работает ряд производителей.
Однако высококачественные 150-мм пластины по-прежнему сложны в производстве с точки зрения выращивания подложки, а также подготовки поверхности пластин, что напрямую влияет на выход годных. Поэтому для производителей важно использование качественного материала – как для максимизации выхода годных, так и для экономии с точки зрения стоимости продукта в целом.
Инвестиции в данной сфере осуществляются такими ведущими игроками, как Cree, II-VI и SiCrystal, а также китайскими производителями. Многолетние соглашения о поставках подписаны между поставщиками подложек Cree / Wolfspeed и SiCrystal, с одной стороны, и производителями приборов, такими как Infineon и STMicroelectronics, с другой стороны.
ON Semi не только покупает, но и производит собственные SiC‑подложки. У нее также есть соглашение с GTAT о поставках SiC‑кристаллов (для резки на пластины). Для ON Semi важно контролировать качество получаемых материалов, а также вертикально интегрировать их в цепочку поставок (рис. 4, 5).
Партнерские отношения изготовители приборов формируют и с их потребителями. Пример – соглашение STMicroelectronics с Tesla, касающееся в основном поставок SiC основных инверторов, поэтому STMicroelectronics в настоящее время контролирует значительную долю рынка мощных SiC‑приборов. Infineon и ON Semi также принимают активное участие в разработках SiC‑приборов, предназначенных для автомобильных и промышленных систем.
По прогнозам Yole, поставщики будут уделять все больше внимания модулям, ориентированным на приложения высокой мощности, такие как основные инверторы и инфраструктура зарядки.
Отраслевые обозреватели особо подчеркивают, что для корпусирования мощных SiC‑модулей необходимо разработать новые типы корпусов и методы корпусирования, которые, в отличие от существующих, будут лучше приспособлены к карбиду кремния [4].
Общая ситуация в области SiC мощных полупроводниковых приборов
На рынке SiC‑приборов в настоящее время доминируют IDM, включая Cree, Rohm и т. д. Они осуществляют производство на собственных заводах по обработке пластин, под своими товарными знаками и с использованием фирменных процессов, что позволяет дифференцировать выпускаемую продукцию. IDM конкурируют друг с другом, а также с растущим числом fabless-фирм («чистые» разработчики), проектирующих SiC‑приборы, изготавливаемые на мощностях кремниевых заводов. Кремниевые заводы, обладающие SiC технологическими процессами, предоставляют клиентам доступ к производственным мощностям, но при этом есть некоторые проблемы с затратами и цепочками поставок. Как правило, IDM, выпускающие SiC‑приборы, не предоставляют услуги контрактного производства, но это может измениться.
Кремниевые заводы только начинают осваивать сектор SiC‑приборов. При этом они рассчитывают достичь здесь тех же успехов, что на рынке полупроводниковых приборов в целом. Надо отметить, что крупнейшие кремниевые заводы, такие как TSMC, Samsung (корпорация является одним из крупнейших IDM, но оказывает услуги кремниевого завода на мощностях специализированного подразделения), GlobalFoundries и UMC не работают в секторе SiC‑приборов, пока это удел кремниевых заводов второго уровня. Действительно, в целом модель кремниевого завода очень успешна. В области SiC‑приборов у нее тоже неплохие шансы, но если говорить о таком типе полупроводниковых приборов, таких как IGBT, то это скорее бизнес IDM.
О развитии услуг кремниевых заводов на рынке SiC‑приборов свидетельствуют следующие факты:
- кремниевый завод X-Fab (Эрфурт, ФРГ) удвоил мощности по производству SiC‑приборов своего американского филиала;
- на рынок SiC‑приборов недавно вышли такие кремниевые заводы, как Clas-SiC (Великобритания), Episil (Тайвань), Sanan (Китай) и YPT (Южная Корея);
- еще несколько IDM и кремниевых заводов изучают возможность выхода на данный рынок.
Мир SiC IDM
Почему в секторе мощных MOSFET, особенно SiC‑приборов, наблюдается доминирование IDM, использующих собственные заводы по обработке пластин? На это есть несколько причин. Каждый новый прибор разрабатывается и оптимизируется на основе избранного процесса в рамках одного завода по обработке пластин. Прибор и технологический процесс оказываются тесно связаны в этих рамках. Здесь не получается отличиться от конкурента за счет схемотехники, потому что мощные SiC не совсем схемы с традиционной точки зрения, а множество соединенных параллельно дискретных MOSFET. Конструкция прибора полностью зависит от процесса и наоборот. Другими словами, стандартного процесса нет, структура отношений с каждым клиентом уникальна.
Итак, основной работающей на рынке SiC‑приборов моделью в настоящее время является модель IDM. Здесь она представлена корпорациями Cree, Infineon, On Semiconductor, STMicroelectronics, Rohm, Toshiba и т. д. Но не все IDM одинаковы. Некоторые из них полностью вертикально интегрированы. Например, корпорация Cree производит свои собственные SiC‑подложки и использует их не только для производства собственных SiC‑приборов, поставляемых заказчикам, но и продает подложки конкурентам. Корпорации Rohm и STMicroelectronics также вертикально интегрированы, а поэтому, как и Cree, могут контролировать всю цепочку поставок, что позволяет быстро реагировать на циклы спроса. Но большинство IDM не является вертикально интегрированными в полном смысле – они покупают подложки у Cree, Rohm или независимых поставщиков.
У всех поставщиков SiC‑приборов существует несколько общих производственных проблем. Самая большая – высокая стоимость SiC‑пластин, определяющая высокую стоимость конечных приборов. Затраты на подложку составляют примерно 50% от стоимости обработанной пластины. Необходимо добиться снижения стоимости и увеличения производства подложек наряду с повышением их качества.
Отмечается, что, несмотря на значительные усилия по расширению коммерциализации SiC‑технологии, она все еще не достаточно готова по сравнению с технологиями IGBT на основе кремния. Это особенно верно в автомобилестроении, где надежность имеет решающее значение, а сертификация продукции может быть сложной и длительной. Чтобы закрыть этот пробел и ускорить освоение SiC‑технологии, требуется целостное понимание дефектности при изготовлении SiC‑приборов.
Модель fabless-foundry
Заказчики могут приобрести SiC‑приборы у IDM и fabless-фирм (для которых их производят кремниевые заводы). В области КМОП‑приборов второй вариант часто называют моделью fabless-foundry, которая была впервые представлена еще в 1980-х годах.
Для сектора SIC‑приборов модель fabless-foundry относительно нова и сталкивается с рядом проблем. Хотя в обозримом будущем на рынке SiC‑приборов будут продолжать доминировать IDM, место для fabless-фирм и кремниевых заводов найдется. Несколько fabless-фирм уже успешно наращивает производство продукции с использованием мощностей кремниевых заводов.
Модель fabless-foundry позволяет стартапам и небольшим компаниям тестировать свои продукты без значительного инвестиционного процесса (в частности за счет практики «многопроектных» пластин). С другой стороны, IDM сохраняют преимущество стратегических поставщиков, которым отдают предпочтение крупные клиенты. Обе модели играют на своих сильных сторонах, удовлетворяя разнообразные потребности современного индустриального ландшафта и находя способы сосуществования.
На протяжении многих лет несколько поставщиков оказывали услуги кремниевого завода для поставщиков SIC‑приборов, но в незначительных объемах. Существенные усилия по расширению применения этой практики начались в 2015 году, когда министерство энергетики США и Университет штата Северная Каролина создали совместное предприятие PowerAmerica с целью ускорить коммерциализацию GaN- и SiC‑технологий. Это СП в 2016 году оказало поддержку кремниевому заводу X-Fab, развивавшему (и развивающему до сих пор) услуги кремниевого завода на своем предприятии по обработке 150-мм SiC‑пластин в Техасе. PowerAmerica и X-Fab вместе разработали наборы средств проектирования технологических процессов и ряд технологий для изготовления SiC‑приборов.
Другие кремниевые заводы также разрабатывают предложения по контрактному изготовлению SiC‑приборов. Так, фирма Episil находится в процессе перевода своих мощностей с обработки 100-мм пластин на обработку 150-мм пластин. Фирма Sanan приступила к контрактному производству SiC‑приборов на 150-мм пластинах. Отмечается, что все большее число кремниевых заводов заинтересовано в выходе на данный рынок.
Но развитие услуг кремниевых заводов в секторе SiC‑приборов сопряжено с некоторыми проблемами. В частности, необходимы инвестиции в производство и соответствующую инфраструктуру, удовлетворяющие требованиям потребителей мощных SiC‑приборов.
К другим проблемам можно отнести:
- совершенствование структуры затрат с тем, чтобы она оказалась конкурентоспособной с аналогичной структурой IDM;
- убеждение IDM в целесообразности дополнять их собственные мощности, в случае необходимости, мощностями кремниевых заводов;
- привлечение нужных специалистов для разработки и внедрения новых процессов.
Несмотря на перечисленные трудности, некоторые fabless-поставщики SiC‑приборов производят свою продукцию с использованием услуг кремниевых заводов. К ним относятся фирмы ABB, GeneSiC, Global Power, Microchip, Monolith и UnitedSiC.
Еще один довод в пользу кремниевых заводов – объемы производства. Если какой-либо фирме в месяц требуется не более 10–30 тыс. пластин со сформированными SiC‑приборами, то нет экономического смысла обладать собственным заводом по обработке SiC‑пластин. Лишь немногие производители могут похвастаться такими объемами.
Наличие кремниевых заводов – только часть уравнения, которое решают fabless-фирмы. Им необходимо не просто проектировать MOSFET по принципу «тоже можем», а создавать конкурентоспособную продукцию. Для этого необходимо как четко очертить границы сотрудничества с кремниевыми заводами, так и определить основные IDM конкурентов, выработать рыночную стратегию, гарантирующую рентабельность деятельности.
Например, fabless-фирма UnitedSiC предлагает несколько изделий, в том числе SiC JFET, которые затем собираются в каскодную схему с низковольтными MOSFET, то есть в результате – достаточно сложные приборы. Учитывая то, что некоторые клиенты опасаются иметь дело с fabless-фирмами, компания UnitedSiC обеспечила себе устойчивую поддержку. Например, она заключила соглашение о долгосрочных поставках с корпорацией ADI, которая, чтобы гарантировать эти поставки, осуществила инвестиции в UnitedSiC.
Тем не менее для fabless-фирм конкуренция с IDM будет трудной задачей как с точки зрения затрат на развитие технологий, так и с точки зрения ценообразования.
Есть и другие обстоятельства. В области КМОП‑приборов многие IDM перестали строить новейшие заводы по обработке пластин из-за их запредельной стоимости. Вместо этого они передали часть производства своей продукции на аутсорсинг кремниевым заводам. Неясно, будет ли модель аутсорсинга работать для IDM, выпускающих SiС‑приборы. У них уже есть огромные, полностью амортизированные заводы по обработке пластин, выпускающие или выпускавшие КМОП ИС по зрелым технологиям, и им будет выгоднее переоборудовать эти мощности с производства КМОП‑приборов на производство SiC‑приборов, нарастить их производство и, может быть, начать самим оказывать услуги кремниевого завода. У них нет мотивации использовать сторонние кремниевые заводы [5].
Мощные GaN‑приборы
В области мощных GaN‑приборов одной из основных тенденций стало сотрудничество их поставщиков с такими известными кремниевыми заводами, как Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), X-Fab или Episil Technologies (в целях снижения издержек производства).
Мощные GaN‑приборы продаются в основном на рынке бытовой электроники – для быстрых зарядных устройств (рис. 6). Происходит активное освоение этих устройств. Основные требования к быстрому зарядному устройству – плотность мощности и эффективность.
Таким образом, необходимо снижать габариты и удельную цену мощности. Основными решениями, которые сейчас предлагаются для быстрых зарядных устройств, являются GaN системы-в-модуле и GaN системы-на-кристалле.
Быстрые зарядные устройства уже широко осваиваются китайскими производителями комплектного оборудования (OEM) – им их поставляют такие поставщики, как Navitas и Power Integrations.
Мощные GaN‑приборы изготавливаются на двух типах подложек: кремниевых и сапфировых. Приборы типа «GaN‑на-Si» производятся в основном на 150-мм пластинах, хотя некоторые поставщики для их изготовления применяют 200-мм пластины (рис. 7).
Мощные дискретные приборы на основе GaN по-прежнему будут пользоваться спросом, но они больше подходят для приложений с высокой мощностью, например для ЦОД или источников питания базовых станций.
Отмечается, что замена кремниевой технологии на GaN‑технологию в секторе мощных полупроводниковых приборов обусловлена прежде всего большей эффективностью и скоростью переключения GaN‑решений, а также меньшими потерями самих источников питания.
* * *
При развитии рынков SiC- и GaN-приборов важными факторами являются ценовая конкурентоспособность и выбор бизнес-модели. Многое в этом плане зависит от конкретного сегмента рынка. При этом ожидаемый выход на рынок мощных полупроводниковых приборов крупнейших кремниевых заводов наподобие TSMC, UMC и т. д. может привести к существенным изменениям конъюнктуры.
Литература
Bhalla A. How SiC Devices Have Changed the Face of Semiconductor Sector // EE Times. 06.08.2020.
https://www.eetimes.com/how-sic-devices-have-changed-the-face-of-semiconductor-sector/
Lidow A. Silicon Is Dead… and Discrete Power Devices Are Dying // EE Times. 06.09.2020.
https://www.eetimes.com/silicon-is-deadand-discrete-power-devices-are-dying/
Emilio M. Di P. Vertical GaN Devices – the Next Generation of Power Electronics // EE Times. 05.16.2020.
https://www.eetimes.com/vertical-gan-devices-the-next-generation-of-power-electronics/
Emilio M. Di P. Insight of GaN and SiC Market // EETimes magazine. 07.27.2020.
https://www.eetimes.com/insight-of-gan-and-sic-market/
LaPedus M. SiC Foundry Business Emerges // Semiconductor Engineering. January 23rd. 2020.
https://semiengineering.com/sic-foundry-business-emerges/
Отзывы читателей
