Полупроводниковые подложки: дальнейшие направления развития

Полупроводниковые подложки: дальнейшие направления развития

Выпуск 15(6689) от 01 августа 2019 г.
РУБРИКА: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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


В ЦЕНТРЕ ВНИМАНИЯ

IQE

Дата основания : 1988 г.
Количество сотрудников: 591 чел.
Штабквартира: г. Кардифф, Уэльс, Великобритания.
Годовой доход: 156,3 млн фунтов стерлингов.

IQE специализируется на современных кремниевых и сложных полупроводниковых материалах на основе арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP), нитрида галлия (GaN) и кремния. Это крупнейший независимый производитель эпитаксиальных пластин, изготовленных путем химического осаждения из паровой фазы методом разложения металлоорганических соединений (MOCVD), молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) и химического осаждения из паровой фазы (CVD) и предназначенных для производства широкого спектра беспроводных, оптоэлектронных, электронных приборов и уст­ройств на солнечных батареях.

В последние годы компания добилась значительных успехов в своей стратегии диверсификации:

заключен крупный контракт с фирмой Philips на применение излучающих с поверхности полупроводниковых лазеров с вертикальным резонатором (VCSEL) для нескольких конечных приложений;

выпущена первая в мире 150-мм InSb-пластина для производства инфракрасных приборов;

совместно с фирмой Solar Junction на платформе IQE осуществлена аттестация ряда гелиотехнических материалов на основе кремния для массового производства.

IQE играет ведущую роль в ряде глобальных технологических программ, в т. ч.: 

создание общеевропейской системы поставок для крупносерийного производства VCSEL;

разработка многопереходных (концентраторных) солнечных элементов космического назначения на высококачественных германиевых подложках диаметром 150 мм (Европа);

«зеленая» энергетическая инициатива по разработке высокоэффективных устройств управления мощностью на основе нитрида галлия (США).


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 4(6728) от 25 февраля 2021 г. г.
Выпуск 15(6689) от 01 августа 2019 г. г.
Выпуск 7(6681) от 04 апреля 2019 г. г.