Прошли времена, когда микроэлектроника ассоциировалась исключительно с кремнием. Конечно, всегда были чипы, изготовленные из других полупроводниковых материалов, таких как германий. В конце концов первая в мире интегральная микросхема, созданная американским инженером Джеком Килби, была на основе германия. Первая советская микросхема Ю. В. Осокина тоже. Но шансов всерьёз подвинуть кремний с его вот уже полувекового пьедестала у других полупроводников до сих пор не было. В нашем веке всё изменилось. Конечно, кремниевые чипы до сих пор занимают ведущее положение в мире, но они шаг за шагом отступают под натиском новых фаворитов — составных полупроводников: карбида кремния и нитрида галлия. Сегодня поговорим о карбиде кремния (SiC = silicon carbide).
SiC – составной полупроводниковый материал, состоящий из кремния и углерода. Для получения полупроводника n-типа он легируется азотом или фосфором. Для получения полупроводника p-типа он легируется бериллием, галлием, бором или алюминием. По сравнению с обычным монокристаллическим кремнием SiC обладает целым рядом преимуществ, включая более высокие теплопроводность и максимальную плотность тока, а также более низкое сопротивление переключению транзисторов и более высокую скорость переключения. Это предопределило его широкое применение в силовой электронике. Там, где высокий ток и высокие температуры, всё чаще можно встретить решения на основе SiC. МОП-транзисторы, диоды Шоттки, силовые модули: список приложений SiC полупроводников очень велик.
В наше время такие новые сферы применения электроники как электромобили, гигантские центры обработки данных и солнечные электростанции развиваются очень бурно. Именно в этом оборудовании, требующем полупроводников с более высоким, чем у кремния, напряжением пробоя и устойчивостью к высоким температурам, решения на основе карбида кремния востребованы более всего.
Выдающиеся свойства SiC связаны с тем, что он является полупроводником с широкой запрещённой зоной, которая примерно в 3 раза болше, чем у кремния: порядка 3,4 эВ (электрон-вольт) у SiC против 1,1 эВ у Si.
Запрещённая зона: энергия, необходимая, чтобы электрон «перепрыгнул» из валентной зоны, где он не может проводить электричество, в зону проводимости, где он проводить электричество может.
Полупроводники на основе SiC прогремели на весь мир в 2018 году, когда лидер «электрического автопрома» Tesla использовала в своей популярной модели Model 3 инвертор на основе карбида кремния, произведённого франко-итальянским полупроводниковым гигантом STMicroelectronics. Новый инвертор обладал выдающимися характеристиками, к тому же его размер уменьшился практически вдвое по сравнению с традиционными устройствами на основе кремния. В результате увеличились КПД двигателя и пробег на одной зарядке. Поскольку инверторы являются ключевыми и очень дорогими компонентами электромобиля, это дало толчок к массовому использованию карбида кремния в атопроме.
Инвертор электромобиля — это устройство, преобразующее мощность постоянного тока электрической батареи в мощность переменного тока, используемой в электродвигателе.
Примечательно, что карбид кремния широко применяется в промышленности вот уже сто лет. Первый процесс промышленного производства SiC был разработан американским химиком Эдвардом Ачесоном в 1890 году. Ачесон работал над способами получения синтетических алмазов. С этой целью он нагревал глину (кремниевую породу) и кокс (углерод) до 2600 градусов Цельсия в электрической печи. Так он и получил карбид кремния.
Разумеется, в те годы ни о какой микроэлектронике речь не шла. Этот материал получил широкое применение благодаря своей исключительной твёрдости. И в наше время он также широко используется при шлифовальных работах, в качестве абразива для наждачной бумаги, в производстве подшипников скольжения, уплотнительных колец, подверженных износу деталей. Разумеется, высокая механическая твёрдость и прочность SiC приветствуется и в микроэлектронике. Устойчивость к износу и способность функционировать в суровых условиях здесь тоже не помешает.
Карбид кремния в очень малом количестве удалось обнаружить на Земле и в естественной форме: в частицах упавшего в американском штате Аризона метеорита. Натуральный минерал называется муассанит, по имени открывшего его учёного Генри Муассана.
Применительно к микроэлектронике «процесс Ачесона» пришлось усовершенствовать. Это удалось сделать в 1954 году голландскому химику Яну Лели из компании Philips Electronics. В «процессе Лели» порошок карбида кремния загружается в графитовый тигель, где при нагреве до 2500 °C выращивается объёмный кристалл SiC.
А что насчёт производственных мощностей и оборудования? Можно ли просто взять и начать производить чипы на карбиде кремния на стандартной «кремниевой» фабрике? Это было бы слишком хорошо, чтобы быть правдой. С одной стороны, оборудование в основном то же самое: фотолитографы ASML, машины травления Lam Research и т. д. Однако это всё следует адаптировать к специфическим для карбида кремния техпроцессам. В ряде случаев это делают сами производители оборудования на своих мощностях, но зачастую модернизация осуществляется по месту производства.
Размер пластин карбида кремния несколько отстаёт от чисто кремниевых: 150 мм — самый распространённый диаметр в случае с SiC, тогда как в случае с кремнием ннаиболее используемые размеры 200 и 300 мм. Это связано с тем, что пластина карбида кремния в два раза тоньше кремниевой пластины. Однако некоторые компании уже научились производить и 200 мм пластины SiC. Такие процессы как эпитаксия, легирование, ионная имплантация, которые являются нормой в процессе производства кремниевых чипов, также превосходно отработаны и с карбидом кремния. Однако приходится учитывать исключительную твёрдость SiC: обработка таких пластин, в том числе нарезка и шлифовка, требует специальных инструментов.
SiC уверенно становится приоритетным решением в области силовой электроники, в особенности в высоковольтных устройствах свыше 650 Вольт (очень распространены полупроводниковые устройства на 1200 Вольт). К примеру, устройства на основе другого популярного составного полупроводника, нитрида галлия (GaN), обычно используются при напряжениях менее 650 Вольт. Так что полупроводниковые фавориты нашего времени взаимно друг друга дополняют.
Учитывая громадный потенциал SiC, новые производственные мощности сейчас растут как грибы после дождя. Мировой передовик в области чипов на карбиде кремния, американская Wolfspeed, открыл новую 200 мм фабрику в США. Франко-итальянская STMicroelectronics строит целый производственный кластер в итальянской Катании. Немецкий Bosch строит новый цех для производства SiC микрочипов в Германии. Японский Rohm Semiconductor открыл новый завод на японских островах. Похожие процессы происходят и в области полупроводников на нитриде галлия. Так что можно смело сказать, что новое будущее мировой микроэлектроники формируется уже сегодня.
