В ЛЭТИ создают материалы для развития экстремальной электроники

Создание современной электронной компонентной базы (ЭКБ) - задача государственного уровня, поскольку от этого зависит обеспечение технологического суверенитета РФ и успешное противодействие санкционному давлению. Однако российские ученые ведут работы в этом направлении давно, и сегодня результаты их исследований ложатся в основу самых востребованных практических технологий. Например, для развития силовой и экстремальной электроники, рассказал ректор Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" Виктор Шелудько.

Виктор Николаевич, ЛЭТИ уже несколько десятилетий занимается технологиями выращивания качественных кристаллов карбида кремния (SiC). А в чем преимущества этого соединения? И почему в последнее время интерес к нему растет?

Виктор Шелудько: Среди полупроводниковых материалов все наверняка знают кремний, на основе которого сделаны современные микропроцессоры для компьютеров и гаджетов, матрицы для фото- и видеоустройств. Но выделяется также группа так называемых широкозонных полупроводников, с применением которых связывают перспективное развитие силовой электроники для промышленности, энергетики, электротранспорта. Таким полупроводником является карбид кремния, и он останется на ближайшие десятилетия самым востребованным и перспективным материалом. Высокие плотность мощности, рабочая частота и максимальная рабочая температура, радиационная стойкость - это ключевые характеристики ЭКБ из карбида кремния.

Особенность SiC - в высокой энергии ковалентной связи между атомами кремния и углерода. Это позволяет приборам на основе данного алмазоподобного материала эффективно работать при напряжениях более 1000 В и токах в десятки ампер. Но это же определяет технологические трудности при его создании. В природе, кстати, кристаллы карбида кремния встречаются очень редко.

Насколько сегодня мы зависим от импорта в этой сфере?

Виктор Шелудько: Возможность работать в экстремальных условиях, в том числе в оборонных технологиях, определила изначальный запрет на свободное распространение карбид-кремниевой ЭКБ, оборудования и технологий для ее производства задолго до событий 2014 года.

Но вообще история взлета монокристаллов карбида кремния и приборов на его основе для нас полна некоторого драматизма. Несмотря на то что материал был известен давно, развитие SiC-электроники сдерживало отсутствие технологии выращивания качественных монокристаллов большого размера. В 1978 году сотрудники ЛЭТИ Юрий Таиров и Валерий Цветков модифицировали метод Лели и разработали новый метод выращивания объемных кристаллов SiC, позволявший получать подложки большого размера хорошего качества. Это ознаменовало начало этапа индустриального становления SiC-технологии. В 90-е годы эта технология "утекла" за рубеж, где ее по достоинству оценили, и результат известен: "здесь" мы знаем, как сделать, но изделия покупаем "там".

Сейчас, несмотря на внешние ограничения, в университете успешно решены задачи по разработке технологии, разработке оборудования и реализации производственно-технологических процессов по синтезу высокочистых исходных материалов (шихты) и объемному росту SiC-монокристаллов.

Каковы перспективы у силовых устройств на карбиде кремния? Какие разработки есть у вуза в этом направлении?

Виктор Шелудько: ЭКБ и модули силовой электроники, обеспечивающие энергоэффективное преобразование электрической энергии к виду, необходимому для формирования напряжения питания конечных устройств с гарантированными показателями качества, применяются практически везде - в тяжелой промышленности, электроэнергетике, на транспорте, в нефтегазовой отрасли, сфере телекоммуникаций. Использование ЭКБ на основе карбида кремния в преобразователях электрической энергии мощностью порядка 200 кВт позволяет повысить удельную мощность на единицу массы в 1,5-2 раза и КПД на 3-4 процента, а стоимость устройств на карбиде кремния в текущем году уже вполне сопоставима с устройствами на кремнии.

В ЛЭТИ сегодня разработаны линейки промышленных силовых преобразователей на SiC модульного типа, позволяющие создавать устройства мощностью до единиц мегаватт, включая создание систем быстрой зарядки аккумуляторов. Пока эти модули собираются на зарубежных транзисторах и диодах, но у нас уже есть опытные образцы кристаллов полевых транзисторов и диодов Шоттки на карбиде кремния, разработанные нами и изготовленные по нашим технологическим картам. Сейчас университет является одним из основных участников проектов по созданию и запуску отечественных производств силовых устройств на карбиде кремния.

Большие перспективы мы видим в области создания "вечных" батареек - так называемая технология SiC бета-вольтаики. Научная группа университета совместно с партнерами продемонстрировала техническую возможность создания таких устройств.

Есть ли уже примеры сотрудничества с предприятиями реальной сферы экономики?

Виктор Шелудько: Наличие у ЛЭТИ уникальных научно-технологических компетенций по сквозному технологическому маршруту изготовления ЭКБ и устройств на карбиде кремния стало основой долговременного партнерства университета и предприятий Группы компаний (ГК) "Элемент". Летом 2023 года стороны утвердили дорожную карту по разработке, прототипированию, постановке и сопровождению техпроцессов силовой электроники на основе карбида кремния, рассчитанную на имеющиеся и создаваемые производственные мощности, и приступили к ее реализации.

В 2024 году мы учредили совместное предприятие "ЛЭТИЭЛ", которое является инжиниринговым центром по силовой электронике и фотонике. Университетские команды занимаются здесь разработкой цифровых моделей приборов, материалов и процессов, создают и оптимизируют на основе разработанных моделей технологические решения для ГК "Элемент", исследуют и тестируют создаваемые изделия, формируют референсы применения силовой ЭКБ. Задача партнера - организация производств, выход на рынки, постановка исследовательских задач.

С нашей точки зрения, организация такого партнерства по развитию технологий и соответствующих рынков является основным фокусом программы "Приоритет 2030", участником которой является СПбГЭТУ "ЛЭТИ".

Что необходимо для формирования в России карбидкремниевой индустрии?

Виктор Шелудько: Прогноз рынка силовых устройств на карбиде кремния по данным мировых маркетинговых агентств показывает, что к 2029 году объем их продаж может составить более 10 миллиардов долларов против 2,7 миллиарда в 2023 году. Дефицит только полупроводниковых подложек карбида кремния составит в текущем году более двух процентов от общего объема рынка силовых устройств, и маркетинговые агентства прогнозируют увеличение этого дефицита на фоне общего роста рынка.

В 2023 году, несмотря на общее оживление в сфере отечественной микроэлектроники, объем российского рынка силовой ЭКБ составил менее одного процента от мирового. Рост и расширение структуры спроса создают потенциальные возможности для отечественных компаний по выходу на соответствующие рынки.

Пока что в нашей стране отсутствует полная локализация всех технологических этапов создания силовых приборов и устройств на карбиде кремния. Поэтому задача для отрасли - обеспечение импортонезависимости силовой электроники за счет производства отечественных кристаллов и модулей на их основе, развитие и создание в стране высокотехнологичных рынков. Этот процесс идет при государственной поддержке, включающей создание наиболее благоприятных условий для формирования объединений научно-образовательных и промышленных организаций, способных реализовывать крупномасштабные технологические проекты.

Разработка полного суверенного технологического цикла в области силовой электроники является именно такой крупномасштабной задачей. ЛЭТИ и ГК "Элемент" договорились о совместном участии в реализации проекта "Кубик" в части постановки на производство пластин карбида кремния и выпуска силовых диодов и транзисторов.