Метод ЛЭТИ
Лаборатория по исследованию карбида кремния СПБГЭТУ «ЛЭТИ»Пресс-служба СПБГЭТУ «ЛЭТИ»
Институт силовой электроники и фотоники организован на базе Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ. В этом вузе есть мощный технологический задел по производству компонентов из карбида кремния, начиная с получения начального сырья, роста кристаллов карбида кремния, и заканчивая электронными компонентами на его основе.
ЛЭТИ — участник программы развития «Приоритет 2030». По этой программе университет совместно с индустриальными партнерами реализует стратегию создания силовой электроники на новых компонентах.
«А что не так со старыми? Дело в том, что в последние десятилетия электроника, в основном выполненная на компонентной базе из кремния, приблизилась к пределу своих возможностей по целому ряду ключевых характеристик, среди которых легкость, компактность, быстродействие и возможность работать в тяжелых условиях (например, в космосе, при высоких перегрузках или в условиях радиации), — рассказал “Стимулу” проректор по научной и инновационной деятельности ЛЭТИ Александр Семенов. — В то же время преодоление данных ограничений открывает широкие перспективы для развития самых разных отраслей промышленности — автомобилестроения, двигателестроения, самолетостроения, машиностроения, производства бытовой техники (компьютеры, планшеты, беспилотники, медицинское оборудование, мобильные телефоны и так далее)».
Проректор по научной и инновационной деятельности СПБГЭТУ «ЛЭТИ» Александр Семенов
Пресс-служба СПБГЭТУ «ЛЭТИ»
220 вольт и более
Электроника бывает силовая и слаботочная. Слаботочная работает с низковольтными системами, обычно не больше 36 вольт, ее назначение — обработка, сбор и передача информации с помощью слабых электрических токов.
Силовая электроника связана с преобразованием электрической энергии, управлением ею или ее переключением без управления (включением и отключением), выпрямлением, инвертированием тока, преобразованием частоты переменного тока. Силовые электросети рассчитаны на серьезные нагрузки — 220 вольт и более.
Полномасштабная публикация о новом методе роста SiC, получившего в мировой практике название «метод ЛЭТИ», появилась в 1978 году. В основу метода была положена классическая схема конденсации пересыщенного пара на «монокристалл-затравку» карбида кремния
Силовая электроника, в частности, применяется в промышленном электронном оборудовании, где для различных устройств используется ток разных характеристик. А электронные устройства решают задачу переключения.
Такие устройства должны выдерживать высокие нагрузки, обладать прочностью и устойчивостью к высоким температурам. Именно поэтому для силовой электроники карбид кремния — крайне важный материал. И на ближайшие десятилетия он останется самым востребованным и перспективным композитом. Высокие плотность мощности, рабочая частота и максимальная рабочая температура, радиационная стойкость — это ключевые характеристики ЭКБ из карбида кремния.
ЭКБ и модули силовой электроники, обеспечивающие энергоэффективное преобразование электрической энергии в вид, необходимый для формирования напряжения питания конечных устройств с гарантированными показателями качества, применяются практически везде — в тяжелой промышленности, электроэнергетике, на транспорте, в нефтегазовой отрасли, сфере телекоммуникаций.
Перспективный материал
Карбид кремния (SiC) относится к группе так называемых широкозонных полупроводников. Это материалы, ширина запрещенной зоны которых составляет более 3 эВ. Их теплопроводность значительно выше, чем у обычных, это позволяет повысить эффективность усилителей и лазеров. Утечка в электронных приборах, вызванная тепловым воздействием, при использовании широкозонных полупроводников на 10–14 порядков ниже, чем в обычных полупроводниках. Благодаря высокой диэлектрической проницаемости они используются в мощных усилителях, переключателях и диодах.
Особенность карбида кремния — высокая энергия ковалентной связи между атомами кремния и углерода — позволяет приборам на основе этого алмазоподобного материала эффективно работать при напряжениях более 1000 В и токах в десятки ампер. Но из-за этой особенности его производство связано со значительными технологическими трудностями. Стоит отметить, что в природе кристаллы SiC встречаются крайне редко.
Использование ЭКБ на основе карбида кремния в преобразователях электрической энергии мощностью порядка 200 кВт позволяет повысить удельную мощность на единицу массы в полтора-два раза и КПД на 3‒4 процента. При этом стоимость устройств на основе карбида кремния благодаря высокой технологичности процесса производства уже вполне сопоставима с ценой кремниевых.
Пластины карбида кремния
Пресс-служба СПБГЭТУ «ЛЭТИ»
Мощный технологический задел
Промышленная история карбида кремния берет свое начало в 1893 году, когда была предложена сублимационная технология получения абразивного материала за счет испарения шихты, в основе которой — углерод и кремний (фактически кварцевый песок). В процессе высокотемпературного синтеза формировался карбидокремниевый спек, преимущественно содержащий бинарное химическое соединение — карбид кремния в виде сростков кристаллов.
Впервые результаты выращивания объемных монокристаллов — слитков SiC — были представлены сотрудниками Ленинградского электротехнического института (ныне СПбГЭТУ ЛЭТИ) Юрием Таировым и Валерием Цветковым в 1976 году на I Европейской конференции по выращиванию кристаллов из газовой фазы в Цюрихе (Швейцария). Полномасштабная публикация о новом методе роста SiC, в мировой практике получившем название «метод ЛЭТИ», появилась в 1978 году в международном журнале. В основу метода была положена классическая схема конденсации пересыщенного пара на «монокристалл-затравку» карбида кремния.
По данным мировых маркетинговых агентств, к 2029 году объем продаж силовых устройств на карбиде кремния по сравнению с 2023 годом может вырасти более чем в три раза и превысить 10 млрд долларов
В течение ряда лет в рамках освоения технологии разращивания базовой затравки, полученной первоначально по методу Лели (процесс получения чистого карбида кремния из технического с помощью процесса сублимации и конденсации), удалось перейти к выращиванию объемных монокристаллических слитков карбида кремния диаметром в несколько дюймов.
Несмотря на внешние ограничения, специалисты ЛЭТИ разработали необходимые технологии и оборудование, организовали производственно-технологические процессы синтеза высокочистых исходных материалов (шихты) и объемного роста SiC-монокристаллов.
По данным мировых маркетинговых агентств, к 2029 году объем продаж силовых устройств на карбиде кремния по сравнению с 2023 годом может вырасти более чем в три раза и превысить 10 млрд долларов. Дефицит только полупроводниковых подложек карбида кремния в 2024 году составил более двух процентов от общего объема рынка силовых устройств, и маркетинговые агентства на фоне общего роста рынка прогнозируют увеличение этого дефицита.
Несмотря на внешние ограничения, специалисты ЛЭТИ разработали необходимые технологии и оборудование
Пресс-служба СПБГЭТУ «ЛЭТИ»
Внедрение в производство
Чтобы способствовать массовому внедрению технологий ЛЭТИ в производство, в июне прошлого года СПбГЭТУ ЛЭТИ и ПАО «Элемент», один из крупнейших разработчиков и производителей электроники, лидер в области микроэлектроники в России, подписали соглашение о создании совместного предприятия под названием ЛЭТИЭЛ.
«Мы планируем активно развивать направление высокотехнологичных силовых полупроводниковых приборов и в перспективе занять лидирующие позиции среди мировых производителей устройств на карбиде кремния. Задачей совместного предприятия с ЛЭТИ станет разработка и исследование технологий производства карбид-кремниевых приборов, на основе которых мы сможем сформировать современную и конкурентоспособную продуктовую и технологическую линейку силовой электроники для различных отраслей промышленности», — отметил президент ПАО «Элемент» Илья Иванцов на торжественной церемонии в рамках Петербургского международного экономического форума.
Предприятие будет специализироваться на отработке технологий производства отечественных силовых приборов на основе карбида кремния, в частности полевых транзисторов MOSFET и диодов Шоттки.
«Транзисторы и диоды — это ключевой компонент любой электроники, силовой в частности. Транзистор позволяет управлять током, а диод — электронный компонент, который пропускает ток только в одном направлении. Тем самым он позволяет выпрямлять переменный ток, защищая электронное оборудование от выхода из строя. Поэтому эти устройства и стали первыми, выполненными на карбид-кремниевой базе», — пояснил Александр Семенов.
В ближайшие годы планируется запустить серийное производство этих компонентов, его развернут на мощностях нового предприятия группы компаний «Элемент» в Зеленограде.
Источник: https://stimul.online/articles/innovatsii/metod-leti/