Компонент времени: в РФ создали элементы для новой перспективной электроники

Что такое карбид кремния

В Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете ЛЭТИ разработали прототип транзистора для перспективной силовой электроники. Как пояснили «Известиям» ученые, в последние десятилетия электроника, в основном выполненная на компонентной базе из кремния, приблизилась к пределу своих возможностей по ряду ключевых характеристик: по легкости, компактности, быстродействию и возможности работать в экстремальных условиях, например в космосе, при высоких перегрузках или радиации.

Преодоление этих ограничений открывает широкие перспективы для развития многих отраслей промышленности: автомобиле-, двигателе-, самолето- и машиностроения, космической техники. На ее основе могут быть созданы новые компьютеры, планшеты, беспилотники, медоборудование, мобильные телефоны и прочее, рассказали разработчики.

Альтернативой кремнию как материалу электронной компонентной базы (ЭКБ) считают карбид кремния (SiC), который способен работать при более высоких температурах и напряжениях без потери электрических свойств. Это делает его перспективным для использования в силовой электронике, например в инверторах и преобразователях энергии. Однако широкое применение карбида кремния требует не только наличия воспроизводимых технологий его синтеза, но и разработки новых тополого-технологических решений.

— В рамках реализации нашей программы развития «Приоритет 2030» по переходу на новую ЭКБ мы разработали отечественный прототип полевого транзистора на основе карбида кремния на 1,7 кВ. Транзисторы — это один из основных компонентов силовой электроники. Образцы на основе карбида кремния уже успешно применяются практически во всех типах современной высоковольтной электроники, начиная от бытовой техники и электротранспорта и заканчивая системами связи и космической техникой, — рассказал «Известиям» проректор по научной и инновационной деятельности СПбГЭТУ ЛЭТИ Александр Семенов.

Созданный в ЛЭТИ прототип SiC-транзистора внешне мало отличается от аналогичных устройств других производителей. В то же время разработанные оригинальные топология и технологический маршрут изготовления транзистора легко могут быть адаптированы к производственным возможностям российских предприятий.

Транзисторы для техники будущего

Эксперименты показали, что при соответствующей коммутации прототипов SiC-транзисторов и при обеспечении эффективных теплоотвода и высоковольтной защиты целевые изделия способны работать до напряжений более 15 кВ на более высоких в отличие от кремниевых аналогов частотах.

— До недавнего времени потребности России в карбидокремниевых транзисторах практически полностью закрывались за счет продукции иностранных производителей. Поэтому наша разработка — важный этап на пути обеспечения технологического суверенитета нашей страны в сфере современных ключевых электронных компонентов, — подчеркнул проректор Александр Семенов.

Электроника на основе SiC относится к ключевым развивающимся технологиям для следующего поколения полупроводников. Основная причина — сам материал, поскольку по сравнению с Si (кремний) он предлагает 10-кратное увеличение максимального электрического напряжения, двукратную скорость переключения, трехкратную теплопроводность, рассказал «Известиям» директор Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана Евгений Александров.

— В результате транзисторы на основе SiC характеризуются чрезвычайно низкими потерями мощности при переключениях, работают быстрее и надежнее кремния и имеют меньший размер кристалла для эквивалентного напряжения пробоя. Устройства на их основе могут работать на более высоких частотах, что делает их идеальными для систем 5G интернета. Они также способны работать при температурах значительно превышающих 200 °C, что позволяет снизить требования к охлаждению и увеличить срок службы изделия. Благодаря этому материалу уже существенно повышена эффективность системы электропитания в электромобилях и зарядных станциях, — отметил эксперт.

По его словам, после того как Tesla в 2017 году внедрила SiC в производимые компанией инверторы, электромобили стали основным драйвером роста этой технологии (более 60% спроса). Наибольшие темпы роста ожидаются в таких областях, как электроэнергетика железной дороги, городской электротранспорт, приводы двигателей и фотоэлектрические системы. Однако уже сейчас размеры зарядных блоков телефонов, ноутбуков и планшетов удалось уменьшить благодаря SiC, добавил Евгений Александров.

В мире эта технология давно есть, но вот в российской промышленности пока не внедрена, отметил начальник научно-исследовательской лаборатории «Элементная база силовой электроники на основе нитрида галлия» НИУ МИЭТ, эксперт центра компетенций НТИ «Сенсорика» Константин Царик.

— Карбид кремния обладает хорошей теплопроводностью, выдерживает большое напряжение пробоя и обеспечивает чуть более высокую скорость работы при пропускании больших токов. Он не альтернатива, но может перевести электронику в более высокие токи и напряжения при сохранении компактных размеров. Нишу карбида кремния другой материал не заменит. Например, нитрид галлия такие напряжения не может выдержать, — сказал он «Известиям».

СПбГЭТУ ЛЭТИ и ГК «Элемент» уже запустили совместное предприятие ЛЭТИЭЛ по разработке компонентов для электроники на основе карбида кремния. При поддержке Минобрнауки они также организовали дизайн-центр по проектированию и измерению параметров силовых электронных приборов и материалов.

Мария Недюк