eng
Выпуск #8/2017
А.Афанасьев, В.Вьюгинов, Н.Гладков, А.Зыбин, В.Ильин, В.Клевцов, В.Кутузов, В.Лучинин, В.Попов
Импортозамещение карбидокремниевой ЭКБ. Стратегическое партнерство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" и ПАО "Светлана"
Импортозамещение карбидокремниевой ЭКБ. Стратегическое партнерство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" и ПАО "Светлана"
Просмотры: 4016
В рамках решения задачи импортозамещения с целью обеспечения технологической независимости и безопасности государства реализовано стратегическое партнерство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" и ПАО "Светлана" в области организации отечественного технологического маршрута
изготовления ЭКБ на основе карбида кремния.
УДК 621.382, ВАК 05.27.06, DOI: 10.22184/1993-8578.2017.79.8.50.59
изготовления ЭКБ на основе карбида кремния.
УДК 621.382, ВАК 05.27.06, DOI: 10.22184/1993-8578.2017.79.8.50.59
Теги: electronic components high-frequency electronics power electronics silicon carbide высокочастотная электроника карбид кремния силовая электроника электронная компонентная база
Импортозамещение – сокращение или отказ от импорта определенного вида товара в рамках организации его собственного производства – является чрезвычайно актуальной задачей для радиоэлектронного комплекса России с целью обеспечения технологической независимости и безопасности государства. Известны базовые критерии принятия решения о целесообразности импортозамещения:
• высокий уровень ограничений в поставках на российский рынок критических продуктов;
• критичность продукта для обеспечения безопасности страны и его востребованность на отечественном рынке;
• наличие производственно-технологической базы для выпуска отечественных аналогов;
• наличие научно-технических компетенций и кадрового обеспечения.
Дополнительными условиями для реализации процесса импортозамещения являются:
• доступность или наличие инновационных технологий;
• обоснованность и возможность инвестирования в модернизацию или создание новых производств.
При формировании программы работ в области импортозамещения в радиоэлектронном комплексе, исходя из многообразия электронной компонентной базы, приоритетными были признаны импортозамещение по аппаратурно-ориентированному принципу с акцентом на создание функционально законченного и объективно востребованного продукта. При этом весь рынок радиоэлектронной продукции был условно поделен на специальную, профессиональную и потребительскую радиоэлектронику.
Целью данной статьи является представление основных результатов формирования полностью отечественного технологического маршрута промышленного производства ЭКБ для экстремальных режимов и условий эксплуатации на основе широкозонного алмазоподобного полупроводникового материала – карбида кремния (рис.1).
СПбГЭТУ "ЛЭТИ" – ПАО "СВЕТЛАНА": СТРАТЕГИЧЕСКОЕ ПАРТНЕРСТВО
Как отмечено в работе [1], "в современной международной конкурентной среде, ориентированной на решение задач в области создания электронной компонентной базы (ЭКБ), достаточно редко можно встретить ссылки на отечественные разработки, коренным образом изменившие рынок инновационной продукции по приоритетным направлениям, определяющим технологическую независимость и безопасность государства". Среди ряда международно-признанных научно-технологических прорывов СПбГЭТУ "ЛЭТИ", безусловно, следует выделить разработанный впервые в мире (рис.2) метод выращивания объемных монокристаллов карбида кремния (метод ЛЭТИ) [2]. Позволив получать карбидокремниевые подложки, пригодные для организации интегрально-группового производства приборов, метод ЛЭТИ определил переход к промышленной технологии изготовления ЭКБ на карбиде кремния во всей мировой практике.
В конце 2014 года участники совещания "Карбид кремния. Интеграция научно-образовательного и промышленного потенциала России", прошедшего в СПбГЭТУ "ЛЭТИ" и собравшего представителей 34 отечественных организаций, констатировали отсутствие системного подхода к решению вопроса о формировании в России современного промышленного производства полупроводникового карбида кремния и ЭКБ на его основе и необходимость создания карбидокремниевой индустрии как одного из направлений импортозамещения для обеспечения паритета в технологиях, определяющих научно-технологическое превосходство и безопасность государства.
Концентрация инфраструктурных ресурсов, знаний, компетенций и кадрового потенциала в области карбидокремниевой электроники от выращивания объемных монокристаллов до постростовых процессов планарной технологии, сборки и испытания изделий позволила в течение последних трех лет сформировать в рамках стратегического партнерства СПбГЭТУ "ЛЭТИ" и ПАО "Светлана" полный отечественный технологический маршрут изготовления ЭКБ на карбиде кремния. Представленный на рис.3 импортозамещающий технологический маршрут ориентирован на создание ЭКБ с ранее недостижимыми энергоимпульсными параметрами и приборов силовой сильноточной высоковольтной электроники с повышенной устойчивостью к воздействию экстремальных факторов.
Базовые составляющие дорожной карты импортозамещения карбидокремниевой ЭКБ иллюстрирует табл.1.
Все указанные в дорожной карте проекты реализуются совместно вышеуказанными организациями, и важнейшим условием их выполнения является организация на базе ПАО "Светлана" промышленного производства импортозамещающей продукции. Следует особо отметить проект "Создание промышленного эпитаксиального производства карбидокремниевых многослойных структур для отечественного приборостроения", реализуемый с апреля 2017 года в соответствии с постановлением Правительства РФ № 218 от 9 апреля 2010 года (IX очередь). Эпитаксиальный рост карбида кремния будет осуществляться в рамках совместной научно-образовательной лаборатории, создаваемой на базе специализированной "чистой комнаты" на территории ПАО "Светлана". Постановку технологии эпитаксиального роста SiC выполняют сотрудники СПбГЭТУ "ЛЭТИ" на оборудовании университета. Легированные подложки для силовой электроники изготавливает СПбГЭТУ "ЛЭТИ", а полуизолирующие для СВЧ-электроники – ПАО "Светлана". Фактически реализация проекта обеспечит независимость Российской Федерации в области карбидокремниевых полупроводниковых материалов в виде эпитаксиальных многослойных структур на монокристаллических подложках SiC собственного производства.
Первый этап реализации дорожной карты создания карбидокремниевой ЭКБ в рамках выполняемой по заказу Минпромторга РФ ОКР "Разработка технологии и освоение производства линейки диодных коммутирующих элементов с наносекундным и пикосекундным временем переключения и рабочими напряжениями 30…3 000 В" (шифр "Аппарат 10") успешно завершен организацией промышленного производства с литерой "А" отечественной ЭКБ субнаносекундной высоковольтной электроники, предназначенной для решения задач сверхширокополосной связи, радиолокации и радиоэлектронного противодействия.
С конца 2017 года по заказу Минпромторга РФ реализуется ОКР "Разработка и освоение серийного производства радиационно-стойких высоковольтных транзисторов с максимальным напряжением 1 700 В и током до 25 А и диодов на основе эпитаксиальных структур карбида кремния на напряжение до 1 700 В и ток до 20 А для жестких условий эксплуатации" (шифр "Вольт-И13-Т"). Данный проект направлен на обеспечение электронными компонентами отечественных высокоэффективных силовых коммутирующих и преобразующих модулей, рассчитанных на высокие напряжения и токи. В настоящее время сотрудниками СПбГЭТУ "ЛЭТИ" созданы полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) на карбиде кремния [3]. Карбидокремниевые компоненты силовой электроники характеризуются рядом преимуществ по сравнению с кремниевыми, включая высокие значения напряжений пробоя, низкое сопротивление активной области, низкие потери при переключении, высокая максимальная рабочая температура и повышенная радиационная стойкость.
В течение 2018–2019 годов планируется создание на базе ПАО "Светлана" полной технологической линии изготовления карбидокремниевой ЭКБ силовой высоковольтной электроники.
Карбид кремния на рынке силовой электроники устойчиво занимает нишу материала для устройств, обеспечивающих повышение эффективности преобразования энергии в жестких условиях и при экстремальных режимах эксплуатации за счет использования высоких напряжений, плотности тока, высокоскоростной коммутации.
СОВМЕСТНАЯ ЭКСПОЗИЦИЯ СПбГЭТУ "ЛЭТИ" И ПАО "СВЕТЛАНА" НА МЕЖДУНАРОДНОЙ ВЫСТАВКЕ ChipEXPO-2017
Стратегическое партнерство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" и ПАО "Светлана" как результат длительного сотрудничества в области силовой импульсной и высокочастотной электроники, а также вакуумной и рентгеновской электроники было представлено на специализированной совместной экспозиции на XV международной выставке электроники ChipEXPO-2017 (31 октября – 2 ноября, выставочный комплекс "Экспоцентр", Москва).
На совместной экспозиции СПбГЭТУ "ЛЭТИ" и ПАО "Светлана" (рис.4), названной "Стратегическое партнерство", была представлена инновационная отечественная продукция (табл.2).
Фактически впервые были продемонстрированы инновационные разработки, связанные не только с обеспечением оборонно-промышленного комплекса, но и социально-ориентированной сферы, включая микро- и наносистемы для медико-биологической (лаборатория-на-чипе) и пищевой (сенсорная платформа с RFID) безопасности. Особого внимания заслуживают разработки в области электромагнитной и информационной безопасности, а также системы для рекуперации энергии из окружающей среды.
Характеризуя будущие приоритеты в совместных разработках, следует, безусловно, выделить вакуумную и рентгеновскую электронику ввиду значительного прогресса, достигнутого в создании высокоэффективных стабильных автоэмиссионных катодов на основе композиции "карбид кремния – нанокристаллический алмаз" [4].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Современный этап решения актуальной для России задачи импортозамещения в сфере высоких технологий, определяющих технологическую независимость и безопасность государства, и, в частности, применительно к ЭКБ для экстремальных режимов и условий эксплуатации, реализуется в рамках стратегического партнерства СПбГЭТУ "ЛЭТИ" и ПАО "Светлана" в области организации отечественного технологического маршрута изготовления ЭКБ на основе карбида кремния – широкозонного алмазоподобного материала.
Выбор данного направления определяется следующими факторами:
• приоритетностью инновационных разработок в данной области для обеспечения технологической независимости и безопасности государства;
• конкурентными преимуществами СПбГЭТУ "ЛЭТИ" и ПАО "Светлана" как на национальном, так и на международном уровнях в рамках достигнутых и признанных компетенций;
• востребованностью данной наукоемкой продукции и наличием устойчивой финансовой поддержки со стороны государственных заказчиков.
Пример решения задачи импортозамещения в реализации производства ЭКБ на карбиде кремния с использованием стратегического партнерства инновационного вуза, входящего в рамках программы "ТОП5-100" в число ведущих инженерных университетов России, и промышленного высокотехнологичного предприятия с большими традициями отражает современный подход к достижению паритета и превосходства в высокотехнологичных областях за счет концентрации знаний, инфраструктурных ресурсов и профессиональной элиты.
Проект № 03.G25.31.02.43 поддержан Минобрнауки РФ. Постановление правительства РФ № 218 от 9 апреля 2010 года (IX очередь).
ЛИТЕРАТУРА
1. Лучинин В.В. Технологии превосходства. Карбид кремния. Научно-технологический статус ЛЭТИ // Нано и микросистемная техника. № 5; 2016. C. 259–271.
2. Tairov Y., Tsvetkov V. Investigation of growth process of ingotsof silicon carbide single crystal // J. Crystal Grows, 1978. Vol. 43. Iss 2. P. 209–212.
3. Афанасьев А.В., Ильин В.А., Лучинин В.В. Отечественная карбидокремниевая электронная компонентная база – силовой SiC МДП-транзистор // Нано- и микросистемная техника. 2016. № 5. C. 308–315.
4. Афанасьев А.В., Голубков В.А., Ильин В.А., Лучинин В.В., Пронин В.П., Серков А.В. Матричные автоэмиссионные катоды на основе карбида кремния с наноструктурированной поверхностью // Нано- и микросистемная техника. 2015. № 12. C. 49–53.
• высокий уровень ограничений в поставках на российский рынок критических продуктов;
• критичность продукта для обеспечения безопасности страны и его востребованность на отечественном рынке;
• наличие производственно-технологической базы для выпуска отечественных аналогов;
• наличие научно-технических компетенций и кадрового обеспечения.
Дополнительными условиями для реализации процесса импортозамещения являются:
• доступность или наличие инновационных технологий;
• обоснованность и возможность инвестирования в модернизацию или создание новых производств.
При формировании программы работ в области импортозамещения в радиоэлектронном комплексе, исходя из многообразия электронной компонентной базы, приоритетными были признаны импортозамещение по аппаратурно-ориентированному принципу с акцентом на создание функционально законченного и объективно востребованного продукта. При этом весь рынок радиоэлектронной продукции был условно поделен на специальную, профессиональную и потребительскую радиоэлектронику.
Целью данной статьи является представление основных результатов формирования полностью отечественного технологического маршрута промышленного производства ЭКБ для экстремальных режимов и условий эксплуатации на основе широкозонного алмазоподобного полупроводникового материала – карбида кремния (рис.1).
СПбГЭТУ "ЛЭТИ" – ПАО "СВЕТЛАНА": СТРАТЕГИЧЕСКОЕ ПАРТНЕРСТВО
Как отмечено в работе [1], "в современной международной конкурентной среде, ориентированной на решение задач в области создания электронной компонентной базы (ЭКБ), достаточно редко можно встретить ссылки на отечественные разработки, коренным образом изменившие рынок инновационной продукции по приоритетным направлениям, определяющим технологическую независимость и безопасность государства". Среди ряда международно-признанных научно-технологических прорывов СПбГЭТУ "ЛЭТИ", безусловно, следует выделить разработанный впервые в мире (рис.2) метод выращивания объемных монокристаллов карбида кремния (метод ЛЭТИ) [2]. Позволив получать карбидокремниевые подложки, пригодные для организации интегрально-группового производства приборов, метод ЛЭТИ определил переход к промышленной технологии изготовления ЭКБ на карбиде кремния во всей мировой практике.
В конце 2014 года участники совещания "Карбид кремния. Интеграция научно-образовательного и промышленного потенциала России", прошедшего в СПбГЭТУ "ЛЭТИ" и собравшего представителей 34 отечественных организаций, констатировали отсутствие системного подхода к решению вопроса о формировании в России современного промышленного производства полупроводникового карбида кремния и ЭКБ на его основе и необходимость создания карбидокремниевой индустрии как одного из направлений импортозамещения для обеспечения паритета в технологиях, определяющих научно-технологическое превосходство и безопасность государства.
Концентрация инфраструктурных ресурсов, знаний, компетенций и кадрового потенциала в области карбидокремниевой электроники от выращивания объемных монокристаллов до постростовых процессов планарной технологии, сборки и испытания изделий позволила в течение последних трех лет сформировать в рамках стратегического партнерства СПбГЭТУ "ЛЭТИ" и ПАО "Светлана" полный отечественный технологический маршрут изготовления ЭКБ на карбиде кремния. Представленный на рис.3 импортозамещающий технологический маршрут ориентирован на создание ЭКБ с ранее недостижимыми энергоимпульсными параметрами и приборов силовой сильноточной высоковольтной электроники с повышенной устойчивостью к воздействию экстремальных факторов.
Базовые составляющие дорожной карты импортозамещения карбидокремниевой ЭКБ иллюстрирует табл.1.
Все указанные в дорожной карте проекты реализуются совместно вышеуказанными организациями, и важнейшим условием их выполнения является организация на базе ПАО "Светлана" промышленного производства импортозамещающей продукции. Следует особо отметить проект "Создание промышленного эпитаксиального производства карбидокремниевых многослойных структур для отечественного приборостроения", реализуемый с апреля 2017 года в соответствии с постановлением Правительства РФ № 218 от 9 апреля 2010 года (IX очередь). Эпитаксиальный рост карбида кремния будет осуществляться в рамках совместной научно-образовательной лаборатории, создаваемой на базе специализированной "чистой комнаты" на территории ПАО "Светлана". Постановку технологии эпитаксиального роста SiC выполняют сотрудники СПбГЭТУ "ЛЭТИ" на оборудовании университета. Легированные подложки для силовой электроники изготавливает СПбГЭТУ "ЛЭТИ", а полуизолирующие для СВЧ-электроники – ПАО "Светлана". Фактически реализация проекта обеспечит независимость Российской Федерации в области карбидокремниевых полупроводниковых материалов в виде эпитаксиальных многослойных структур на монокристаллических подложках SiC собственного производства.
Первый этап реализации дорожной карты создания карбидокремниевой ЭКБ в рамках выполняемой по заказу Минпромторга РФ ОКР "Разработка технологии и освоение производства линейки диодных коммутирующих элементов с наносекундным и пикосекундным временем переключения и рабочими напряжениями 30…3 000 В" (шифр "Аппарат 10") успешно завершен организацией промышленного производства с литерой "А" отечественной ЭКБ субнаносекундной высоковольтной электроники, предназначенной для решения задач сверхширокополосной связи, радиолокации и радиоэлектронного противодействия.
С конца 2017 года по заказу Минпромторга РФ реализуется ОКР "Разработка и освоение серийного производства радиационно-стойких высоковольтных транзисторов с максимальным напряжением 1 700 В и током до 25 А и диодов на основе эпитаксиальных структур карбида кремния на напряжение до 1 700 В и ток до 20 А для жестких условий эксплуатации" (шифр "Вольт-И13-Т"). Данный проект направлен на обеспечение электронными компонентами отечественных высокоэффективных силовых коммутирующих и преобразующих модулей, рассчитанных на высокие напряжения и токи. В настоящее время сотрудниками СПбГЭТУ "ЛЭТИ" созданы полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) на карбиде кремния [3]. Карбидокремниевые компоненты силовой электроники характеризуются рядом преимуществ по сравнению с кремниевыми, включая высокие значения напряжений пробоя, низкое сопротивление активной области, низкие потери при переключении, высокая максимальная рабочая температура и повышенная радиационная стойкость.
В течение 2018–2019 годов планируется создание на базе ПАО "Светлана" полной технологической линии изготовления карбидокремниевой ЭКБ силовой высоковольтной электроники.
Карбид кремния на рынке силовой электроники устойчиво занимает нишу материала для устройств, обеспечивающих повышение эффективности преобразования энергии в жестких условиях и при экстремальных режимах эксплуатации за счет использования высоких напряжений, плотности тока, высокоскоростной коммутации.
СОВМЕСТНАЯ ЭКСПОЗИЦИЯ СПбГЭТУ "ЛЭТИ" И ПАО "СВЕТЛАНА" НА МЕЖДУНАРОДНОЙ ВЫСТАВКЕ ChipEXPO-2017
Стратегическое партнерство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" и ПАО "Светлана" как результат длительного сотрудничества в области силовой импульсной и высокочастотной электроники, а также вакуумной и рентгеновской электроники было представлено на специализированной совместной экспозиции на XV международной выставке электроники ChipEXPO-2017 (31 октября – 2 ноября, выставочный комплекс "Экспоцентр", Москва).
На совместной экспозиции СПбГЭТУ "ЛЭТИ" и ПАО "Светлана" (рис.4), названной "Стратегическое партнерство", была представлена инновационная отечественная продукция (табл.2).
Фактически впервые были продемонстрированы инновационные разработки, связанные не только с обеспечением оборонно-промышленного комплекса, но и социально-ориентированной сферы, включая микро- и наносистемы для медико-биологической (лаборатория-на-чипе) и пищевой (сенсорная платформа с RFID) безопасности. Особого внимания заслуживают разработки в области электромагнитной и информационной безопасности, а также системы для рекуперации энергии из окружающей среды.
Характеризуя будущие приоритеты в совместных разработках, следует, безусловно, выделить вакуумную и рентгеновскую электронику ввиду значительного прогресса, достигнутого в создании высокоэффективных стабильных автоэмиссионных катодов на основе композиции "карбид кремния – нанокристаллический алмаз" [4].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Современный этап решения актуальной для России задачи импортозамещения в сфере высоких технологий, определяющих технологическую независимость и безопасность государства, и, в частности, применительно к ЭКБ для экстремальных режимов и условий эксплуатации, реализуется в рамках стратегического партнерства СПбГЭТУ "ЛЭТИ" и ПАО "Светлана" в области организации отечественного технологического маршрута изготовления ЭКБ на основе карбида кремния – широкозонного алмазоподобного материала.
Выбор данного направления определяется следующими факторами:
• приоритетностью инновационных разработок в данной области для обеспечения технологической независимости и безопасности государства;
• конкурентными преимуществами СПбГЭТУ "ЛЭТИ" и ПАО "Светлана" как на национальном, так и на международном уровнях в рамках достигнутых и признанных компетенций;
• востребованностью данной наукоемкой продукции и наличием устойчивой финансовой поддержки со стороны государственных заказчиков.
Пример решения задачи импортозамещения в реализации производства ЭКБ на карбиде кремния с использованием стратегического партнерства инновационного вуза, входящего в рамках программы "ТОП5-100" в число ведущих инженерных университетов России, и промышленного высокотехнологичного предприятия с большими традициями отражает современный подход к достижению паритета и превосходства в высокотехнологичных областях за счет концентрации знаний, инфраструктурных ресурсов и профессиональной элиты.
Проект № 03.G25.31.02.43 поддержан Минобрнауки РФ. Постановление правительства РФ № 218 от 9 апреля 2010 года (IX очередь).
ЛИТЕРАТУРА
1. Лучинин В.В. Технологии превосходства. Карбид кремния. Научно-технологический статус ЛЭТИ // Нано и микросистемная техника. № 5; 2016. C. 259–271.
2. Tairov Y., Tsvetkov V. Investigation of growth process of ingotsof silicon carbide single crystal // J. Crystal Grows, 1978. Vol. 43. Iss 2. P. 209–212.
3. Афанасьев А.В., Ильин В.А., Лучинин В.В. Отечественная карбидокремниевая электронная компонентная база – силовой SiC МДП-транзистор // Нано- и микросистемная техника. 2016. № 5. C. 308–315.
4. Афанасьев А.В., Голубков В.А., Ильин В.А., Лучинин В.В., Пронин В.П., Серков А.В. Матричные автоэмиссионные катоды на основе карбида кремния с наноструктурированной поверхностью // Нано- и микросистемная техника. 2015. № 12. C. 49–53.
Отзывы читателей
