Появление новых конечных применений ИС, продолжающиеся процессы их масштабирования и развития гетерогенной интеграции требуют новых подходов на уровне материалов – в частности, подложек. Крайне перспективными становятся подложки с заданными свойствами (engineering substrates). Тенденциям развития в области шаблонов было посвящено очередное исследование фирмы Yole Développement (г. Лион, Франция).

Кремниевые технологии далеки от идеала. Производители постоянно пытаются максимально использовать возможности существующих подложек, расширив границы их применения. В этом контексте появились альтернативные платформы и сложные полупроводниковые соединения, и сегодня полупроводниковая индустрия демонстрирует множество успешных примеров: арсенид галлия (GaAs) для радиочастотных ИС и фотоники, карбид кремния (SiC) для силовых и РЧ-применений, нитрид галлия на сапфире (GaN-на-сапфире) для светодиодов, технология «кремний-на-изоляторе» (SOI) для РЧ-приборов и контактных формирователей сигналов изображения и т. п. Без сомнения, применения в области электроники и фотоники создают множество возможностей для перспективных полупроводниковых подложек. Исследовательская фирма Yole Développement ожидает, что объем рынка полупроводниковых подложек в 2024 г. превысит 400 млн долл., а среднегодовые темпы роста в сложных процентах (CAGR) за период 2018–2024 гг. составят 24% (см. рисунок).

Источник: Emerging Semiconductor Substrates: Market & Technology Trends report, Yole Développement, 2019

Обзор рынка перспективных материалов в 2018–2024 гг.

В своем исследовании «Перспективные подложки: тенденции рынка и технологий в 2018 г.» (Emerging Semiconductors: Market & Technology Trends 2019) Yole Développement рассматривает самые современные кристаллические полупроводниковые подложки, включая структуры из антимонида галлия (GaSb), антимонида индия (InSb), нитрида галлия (GaN), оксида галлия (Ga2O3), нитрида алюминия (AlN) и монокристаллических алмазных пленок. Подробно описываются GaN- и AlN-шаблоны, подложки с заданными свойствами, такие как «пьезокристаллы-на-изоляторе» (POI). Анализируется потенциал применения этих подложек в радиочастотной и силовой электронике, фотонике (включая полупроводниковые лазеры на диодах), светодиодах, датчиках и детекторах.

Этот отчет – часть глобальной стратегии Yole Développement по глубокому пониманию всей цепочки поставок полупроводниковых приборов и материалов и ее эволюции. С целью понять технические и экономические проблемы рынка – от перспективных полупроводниковых подложек до УФ СИД или лазеров с торцевым излучением (EEL) до радиочастотных компонентов для 5G – аналитики постоянно взаимодействуют с ведущими поставщиками. Особое внимание уделяется выявлению возможностей бизнеса и его развития, в том числе по новым подложкам и изготовляемым на их основе продуктам.

В области радиочастотных приложений существует множество факторов развития рынка, включая инфраструктуру 5G и мобильные телефоны, военные системы, гражданские автомобильные радары и т. д. Например, при развертывании сетей 5G будут активно применяться радиоблоки, реализованные по технологии MIMO, уже использующиеся в дорогих телефонах 4G LTE. Применение MIMO в мобильных телефонах с целью повышения эксплуатационных характеристик приведет к необходимости использовать больше фильтров. Повышение производительности и увеличение числа компонентов подразумевает бóльшие рыночные возможности для новых материалов.

С точки зрения силовой электроники, развитие которой в настоящее время обусловлено электрификацией транспорта, расширением использования возобновляемых источников энергии и т. п., общей тенденцией стало повышение производительности при одновременном снижении потребляемой мощности. Развитие данной тенденции создает многочисленные рыночные возможности для материалов с широкой запрещенной зоной (WBG), таких как карбид кремния. Действительно, рынок SiC-устройств устойчиво развивается, хотя сами подложки остаются достаточно дорогостоящими.

Рынок фотоники, охватывающий приборы, работающие в диапазоне от ультрафиолетовой до инфракрасной области спектра, также открывает широкие возможности для создания инновационной продукции – от систем очистки воды и газовых датчиков до приборов формирования инфракрасных изображений. Поскольку длина волны определяется шириной запрещенной зоны, присущей каждому материалу, для использования как более коротких, так и более длинных волн активно разрабатываются соответствующие материалы.

Лазерные диоды (полупроводниковые лазеры) и фотодиоды на основе GaSb и InSb уже нашли применение в высокопроизводительных военных системах. Но это еще не все. Например, IQE, ведущий поставщик пластин с использованием соединений сурьмы и эпитаксиальных пластин, активно взаимодействует с поставщиками комплектного оборудования (OEM) первого уровня, что, в частности, открывает новые возможности для вывода на потребительские рынки ИК-технологий ночного видения на основе соединений сурьмы.

Ряд крупных производителей детекторов, в том числе FLIR, Semiconductor Devices и IRnova, разрабатывают новую технологию сверхрешеток второго типа (T2SL) на основе GaSb. Ожидается, что эта технология скоро проникнет в потребительские приложения и в ближайшие годы ее применение будет расширяться.

Пластины из монолитного нитрида галлия (GaN) уже много лет широко используются в лазерных диодах. Недавно было изучено их использование в силовой электронике и радиочастотных приложениях. Аналитики Yole Développement отмечают растущую активность японских фирм – от поставщиков материалов до поставщиков приборов, таких как Toyoda Gosei, – в создании вертикальных силовых приборов типа «GaN-на-GaN».

Повышенное внимание привлекает и материал со сверхширокой запрещенной зоной (оксид галлия Ga2O3). Предполагается, что продемонстрированные недавно пластины диаметром до 150 мм будут иметь потенциально более низкую удельную стоимость по сравнению с современными решениями на основе SiC. Дальнейшее развитие технологии Ga2O3 будет зависеть от конкуренции со стороны других технологий с точки зрения издержек производства и других затрат, а также диапазона возможных конечных решений.

До сих пор Yole Développement рассматривала в основном монолитные кристаллические материалы, но в последнее время ее исследователи уделяют значительное внимание шаблонам и подложкам с заданными свойствами. Подобные структуры разрабатываются либо для снижения стоимости (например, поликристаллический SiC), либо для повышения производительности («пьезо-на-изоляторе» для применения в фильтрах).

Davis Shannon. Emerging Semiconductor Substrates: What Will Be The Next Game-Changer? Semiconductor Digest, June 27, 2019: https://www.semiconductor-digest.com/2019/06/27/emerging-semiconductor-substrates-what-will-be-the