GaN-технология в силовой и СВЧ-электронике: преимущества, перспективы, новые разработки

Нитрид-галлиевая технология – одно из наиболее перспективных и быстроразвивающихся направлений в силовой и СВЧ-электронике. Причина этого заложена в свойствах нитрида галлия, значительно превосходящего традиционный для полупроводниковой промышленности кремний по ряду ключевых параметров, таких как ширина запрещённой зоны, критическая напряжённость поля и дрейфовая скорость насыщения электронов. Благодаря этому GaN-транзисторы могут работать при более высоких температурах, на более высоких частотах, с большей плотностью мощности и энергоэффективностью, чем кремниевые.

Нитрид галлия отличается от кремния повышенной подвижностью электронов и увеличенной электрической прочностью. Это означает, что при одинаковых значениях сопротивления и пробивного напряжения GaN-транзистор имеет меньшие размеры и меньшие межэлектродные ёмкости по сравнению с кремниевым аналогом. Это обеспечивает вдвое выше удельные токи и на два порядка большие рабочие частоты GaN-транзисторов по сравнению с кремниевыми приборами.

Применение GaN-технологии активно расширяется, в частности, согласно исследованию «RF GaN Market – Global Industry Analysis and Forecast», рынок только РЧ-компонентов на основе GaN в 2023 году составил 1,27 млрд долл., и ожидается его рост до 4,61 млрд к 2030 году.

В «Стратегии развития электронной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года» GaN-технология внесена в ключевое направление «Научно-техническое развитие».

В РФ несколько предприятий активно ведут разработки ЭКБ на основе данной технологии.

В АО «НИИЭТ» (входит в ГК «Элемент») работы в области создания GaN-ЭКБ ведутся уже более 15 лет, используя возможности контрактного производства чипов. Недавно предприятие обновило линейку силовых GaN-транзисторов, разработав серию транзисторов ТНГ-КВ с пробивными напряжениями до 650 В, оптимизированных для работы с напряжением 220 В первичной сети переменного тока. Транзисторы предназначены для работы в качестве ключей в зарядных устройствах потребительской электроники, электромобилей, преобразователях энергии альтернативных источников и схемах электропитания аппаратуры различного назначения.

АО «НИИЭТ», являясь единственным отечественным серийным производителем мощных СВЧ GaN-транзисторов, активно наращивает производственные возможности. Заказчикам поставлено более 70 000 дискретных транзисторов и транзисторных сборок с рабочими частотами до 12 ГГц и выходной мощностью до 400 Вт. В интересах заказчиков на транзисторах собственной разработки получена уникальная линейка из четырёх широкополосных усилителей мощности, перекрывающих диапазон частот от 90 МГц до 4 ГГц с непрерывной выходной мощностью 100 Вт. В настоящее время ведётся комплекс работ по разработке предсогласованных транзисторных сборок и усилителей мощности на их основе для обеспечения 100 Вт непрерывной мощности в полосе частот от 4,9 ГГц до 6,2 ГГц.

АО «НИИЭТ», добившись больших успехов в рамках fabless-модели производства GaN-транзисторов и запустив собственное микроэлектронное сборочное производство в полимерные корпуса, приступило к созданию собственного кристального производства транзисторов по технологии нитрида галлия на кремнии. Проект одобрен межведомственной комиссией по комплексным инвестиционным проектам 25 июня 2025 г. Финансирование проекта осуществляется с использованием механизма кластерной инвестиционной программы (КИП), оператором которого является Фонд развития промышленности (ФРП) РФ. Кристальное производство планируется запустить к 2028 г. и в течение двух лет вывести его на проектную мощность – 5,5 тыс. пластин в год.

В АО «ПКК «Миландр» также с использованием контрактного изготовления кристаллов разработана линейка псевдоморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов на основе нитрида галлия с напряжением питания до 50 В с выходной мощностью от 5 Вт до 600 Вт, а также приборы с выходной мощностью 1000 Вт и 1200 Вт в балансных корпусах. Транзисторы предназначены для использования в системах радиолокации, радиопротиводействия и навигации, в системах радиосвязи и телекоммуникаций. Ведутся исследовательские работы по корпусированию СВЧ GaN HEMT в металлополимерные корпуса.

Для демонстрации и тестирования транзисторов разработан ряд усилительных модулей с выходной мощностью от 5 до 1000 Вт для систем радиопротиводействия, радиолокации, радионавигации, связи диапазонов L, S и телекоммуникационных диапазонов Band 40, Band 41 и Band 79.

АО «НПП «Исток» им. Шокина» в рамках ОКР «Т-НГ-1» по заказу Минпромторга России разрабатывается технологический процесс изготовления и комплексный инструмент проектирования (КИП) МИС СВЧ на основе гетероструктур нитрида галлия на подложках карбида кремния с топологической нормой 0,25 мкм (DH025). В работе предусмотрено изготовление четырёх типов демонстраторов, разработанных сторонними дизайн-центрами на основе созданного в работе КИП. Проектные работы завершены, изготовлены фотошаблоны, пластины запущены в производство, продолжается набор статистических данных.

Одновременно с ОКР завершается оснащение нитрид-галлиевой производственной линии технологическим и инженерным оборудованием. В 2026 году разработанный комплексный инструмент проектирования будет доступен для всех заинтересованных дизайн-центров. С 2027 года будет возможно изготовление GaN/SiC МИС СВЧ в частотных диапазонах до 18 ГГц с выходной мощностью не менее 20 Вт, в том числе в режиме «фаундри».

АО «Зеленоградский нанотехнологический центр» (ЗНТЦ) несколько лет ведёт работу по разработке технологии и отработке технологических процессов производства электроники GaN(Si)-силовых и СВЧ модулей. Развитая инфраструктура полного цикла производства, наличие технологического, исследовательского оборудования, а также возможность работы с золотом на всех этапах изготовления приборов позволили комплексно решать задачи технологии производства GaN(Si)-силовых и СВЧ модулей. С 2023 года АО «ЗНТЦ» ведёт составную часть опытно-конструкторской работы «Разработка типового технологического процесса для производства широкой номенклатуры СВЧ МИС и типового технологического процесса для производства силовых компонентов на основе гетероэпитаксиальных структур нитрида галлия на пластинах диаметром 150 мм с проектными нормами до 0,25 мкм». Ключевой задачей данной ОКР является обеспечение возможности реализации потребностей дизайн-центров РФ посредством использования разработанного в рамках ОКР комплексного инструмента проектирования (КИП) для изделий СВЧ МИС в частотном диапазоне до 18 ГГц и силовых транзисторов с максимальным допустимым напряжением сток-исток 650 В. В настоящий момент производится сдача 3 этапа работы, созданы рабочие версии комплекта ТД на ТТП GH025D и ТТП GP08E. Следующий, 4 этап, является заключительным, запланированы проведение испытаний ТТП и КИП. В итоге данной работы АО «ЗНТЦ», обладая полным завершённым циклом кристального производства GaN(Si)-силовых и СВЧ модулей, переходит в режим работы Foundry. Уже сейчас проводится подготовка к запуску Foundry-сервис для дизайн-центров и предприятий радиоэлектронной промышленности с доступом к библиотекам проектирования и возможностью размещения заказов на производство силовой и СВЧ электроники на GaN(Si) в АО «ЗНТЦ».

АО «Светлана-Рост» (Санкт-Петербург) первой в РФ реализовало самостоятельную разработку и мелкосерийное производство ЭКБ на основе нитрида галлия. В настоящее время впервые в российской практике СВЧ фабрикой-фаундри АО «Светлана-Рост» начаты серийные поставки полностью отечественных кристаллов GaN, предназначенных для работы в L, P и S диапазонах. Технология выращивания и конструкция эпитаксиальной структуры AlGaN на подложках изолирующего карбида кремния и технология изготовления кристаллов разработаны и доведены до серийно пригодного состояния. Совместно с АО «НИИЭТ» при поддержке Российского научного фонда разработан полностью отечественный предсогласованный транзистор, предназначенный для применения в качестве оконечного каскада в импульсных усилителях мощности 120 Вт на частоте 2,7–3,1 ГГц.

АО «ОКБ-Планета» (Великий Новгород) в рамках проекта с ФПИ был разработан полностью замкнутый технологический процесс изготовления СВЧ МИС Х-диапазона и СВЧ транзисторов Х и S-диапазона на основе гетероструктур GaN/AlGaN на подложках карбида кремния для применения в перспективных образцах РЛС АФАР. На предприятии сформирована замкнутая технологическая линия по изготовлению СВЧ МИС, включающая в себя проектирование и изготовление фотошаблонов, кристальное и сборочное производство. Разработан и изготовлен на собственной производственной линейке малошумящий усилитель с уровнем шума до 3,0 дБ, разработаны и находятся в изготовлении МИС предварительного усилителя с уровнем выходной мощности до 0,5 Вт, усилителя мощности с уровнем выходной мощности до 20 Вт. Разработаны и изготовлены на собственной производственной линейке СВЧ транзисторы Х и S-диапазона с выходной мощностью до 50 Вт.

Вопросы освоения новых технологий изготовления микросхем и полупроводниковых приборов можно будет обсудить на заседаниях секции №4 «Технологии и компоненты микро- и наноэлектроники» научной конференции «ЭКБ и микроэлектронные модули» Российского форума «Микроэлектроника 2025».

Руководитель секции:

• Шелепин Николай Алексеевич, доктор технических наук, профессор, руководитель научного направления «Микроэлектроника» ИНМЭ РАН

Заместители руководителя секции:

• Путря Михаил Георгиевич, доктор технических наук, профессор, НИУ МИЭТ
• Резванов Аскар Анварович, кандидат физико-математических наук, начальник лаборатории АО «НИИМЭ»

Организаторами форума «Микроэлектроника 2025» выступают АО «НИИМЭ» и АО «НИИМА «Прогресс» при поддержке Министерства промышленности и торговли Российской Федерации, Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Генеральные партнёры – НИЦ «Курчатовский институт», Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом», Фонд перспективных исследований (ФПИ). Стратегический партнер – Группа компаний «Элемент». Инновационные партнёры – Холдинг «Швабе», ООО «Лазерный Центр», Многопрофильный ИТ-Холдинг «Национальная компьютерная корпорация», ООО «Т8», АО «Крафтвэй корпорэйшн ПЛС». Образовательный партнёр – Университет «Сириус». Стратегический информационный партнёр – Генеральное информационное агентство «ТАСС». Спортивный партнёр – НИУ МИЭТ. Партнёры – ООО «НМ-Тех», Т1 Интеграция, АО НИИТМ, АО «Концерн ВКО «Алмаз – Антей», АО «Уральское проектно-конструкторское бюро «Деталь», АО «Сигналтек», АО «Нанотроника», Российский научный фонд, АО «НПЦ «РПК», Консорциум робототехники и систем интеллектуального управления, ООО «ФОРМ». Генеральный информационный партнёр – АО «РИЦ «ТЕХНОСФЕРА». Оператор Форума – Агентство деловых коммуникаций «ПрофКонференции».