Čeští inženýři a vědci se zapojili do bádání, které má pomoci vytvořit něco jako čipy budoucnosti. Jednou ze slibných oblastí rozvoje čipů je polovodič nitrid gallia či nitrid gallitý (GaN), který se už dnes používá třeba u bezdrátových nabíječek a historicky u produkce LED diod.
Materiál se studuje delší dobu, cílem je ale rozvinout ho do podoby, kdy začnou vznikat účinnější a dostupnější prvky výkonové elektroniky, jako jsou zařízení v mobilních sítích, datových centrech nebo nabíječky pro elektrické automobily.
GaN se ve výkonové elektronice může stát nástupcem křemíku. Jde o polovodič s krystalografickou strukturou, který je schopný pracovat s vysokými napětími, frekvencemi a při vysokých teplotách. Díky tomu dokáže operovat i v extrémních podmínkách. K dispozici jsou tranzistory HEMT.
Evropská unie už nehraje klíčovou roli například ve výrobě čipů pomocí nejmodernějších procesorů a SoC. Jde o doménu Tchaj-wanu (TSMC), Jižní Koreje (Samsung a spol.) nebo Spojených států. Starý kontinent má velice důležité firmy typu ASML nebo IMEC, bez nichž se nejnovější čipy do iPhonů a spol. nedají vyrobit, v samotné produkci se ale omezuje hlavně na čipy pro průmysl a automobilky. Do toho začíná ale promlouvat levná a státem dotovaná Čína.
A pak je zde oblast výkonové elektroniky, kde je Evropa pořád velice dobrá. Máme zde třeba špičkové výrobce substrátů. Polovodičový trh má mnoho segmentů, jako jsou procesory, paměti a tak dále. Výkonová elektronika tvoří pouze pár procent z celkového objemu. Má ale zajímavý růst hnaný elektromobilitou nebo úsporami energií.
Všechno na GaN
Evropské státní a unijní financování polovodičového oboru je sice oproti USA, Jižní Koreji či Číně skromné, objevují se ale slibné projekty. Jedním z nich je ALL2GaN placený Evropskou unií. Jde o součást aktivity Chips JU vzniklé na základě evropského Chips Actu, což je sada opatření pro podporu výroby a návrhu čipů, mimochodem vyjednaná Čechy.
ALL2GaNu se účastní 45 firem a institucí z dvanácti evropských zemí. Dobré zastoupení má i Česko. Na projektu se podílí CEITEC, což je vědecká instituce při VUT v Brně disponující pokročilou polovodičovou laboratoří. Druhým účastníkem je společnost Thermo Fisher Scientific. Ta, podobně jako Tescan a Delong Instruments, v Brně vyrábí elektronové mikroskopy nutné pro výzkum a výrobu polovodičů. Thermo Fisher je dodává Applu, TSMC nebo Intelu. Roční tržby české pobočky dělají dvacet miliard. Brněnské trio ovládá velkou část světového trhu.
ALL2GaN má do roku 2026 k dispozici asi šedesát milionů eur, zhruba jeden a půl miliardy korun. V rámci projektu se zkoumá jedenáct různých aplikací polovodiče GaN. Cílem je mimo jiné zvýšit energetickou účinnost o třicet procent a dostat GaN do efektivní produkce. Evropských projektů na GaN je více, jeden se zaměřuje třeba na základnové stanice pro mobilní sítě.
Co nejméně defektů
Výsledkem ALL2GaN mají být čipy, které budou evropští producenti typu Infineon (ten už linku na GaN má) moci běžně vyrábět. Nové typy struktur a zařízení jsou vymyšleny, problémy jsou ale s vyrobitelností a cenovou dostupností. V polovodičovém sektoru se počítá každý dolar, watt a centimetr čtvereční. Než jsme začali spolehlivě produkovat křemíkové základy, také to nebylo hned.
Díky pokrokům v GaN by pak mohly začít vznikat lepší vysokofrekvenční zesilovače pro mobilní sítě, aplikace pro železniční dopravu, nabíječky pro elektromobily, bezdrátové nabíječky, invertory, napájení pro datacentra a podobně. Má to být mimo jiné odpověď byznysu na zelené regulační požadavky.
Čip na bázi GaN pod mikroskopem Thermo Fisher:
„U nitridu galia jsme ve fázi, kdy máme vymyšlené aplikace a existují potřebné struktury. Ale ještě neumíme dokonale vyrobit substráty, do kterých se struktury vytváří, aby vše bylo bez defektů a celé to bylo cenově dostupné,“ řekl Lupě Tomáš Vystavěl z Thermo Fisher Scientific.
Na začátku bádání je materiálový výzkum. Brno se podílí na analýze a vývoji substrátů z nitridu gallia pro výrobu čipů. Materiál obsahuje takzvané dislokace, což jsou čárové poruchy krystalové mříže, které mohou způsobit to, že čip funguje jinak, než jak byl navržen. Elektronové mikroskopy umožňují pozorovat a kvantifikovat možné defekty čipů, aniž by došlo k jejich poškození. Jde o takzvanou nedestruktivní charakterizaci postavenou na technikách rastrovacího elektronového mikroskopu.
Toto mikroskopové bádání doplňuje CEITEC VUT zaměřený na analytické techniky. Univerzita se na analýzu povrchů a pevných látek zaměřuje dlouhodobě. Výzkumná skupina profesora Tomáše Šikoly se mimo jiné podílela na vývoji mikroskopu UHV SEM (Tescan). Ze skupiny rovněž vzešel spin-off NenoVision.
Z bádání do produkce
Výrobci elektronových mikroskopů, jakou jsou Thermo Fisher, do čipové produkce vstupují ve dvou fázích. Nejdříve je to výzkum, kdy lze zkoumat materiály. A následně je to kontrola kvality na konci výrobní linky. Podobné role Brno sehrává i v rámci ALL2GaN.
„Naši partneři musí pro produkci čipů GaN vyrobit substráty. Na nich je nutné vyhledat defekty a ověřit, zda neovlivňují výkon finálního zařízení. To je naprosto klíčové. Partneři v ALL2GaN tedy po nás chtějí klasifikaci defektů, jejich spočítání a automatizaci procesů,“ vysvětlil Vystavěl.
Výsledkem brněnského zapojení do ALL2GaN mimo jiné mají být elektronové mikroskopy upravené tak, že k nim přijde operátor ve výrobě, vloží do nich desku, zmáčkne tlačítko a nechá proběhnout kontrolu. Přijít se má na to, jaká technika pro analýzu defektů je pro polovodičový průmysl akceptovatelná. To by mohlo vést také k nové produktové řadě mikroskopů a rozhodnutí, zda se vůbec vyplatí ji uvést na trhu. V Thermo Fisher už existuje definice pro první mikroskop pro GaN.
Další výkonová elektronika
Snahy Evropy v GaN jsou důležité. V současné době není příliš realistické, že bychom měli v logických či paměťových čipech konkurovat Asii a USA, konkrétní obory jako právě výkonová elektronika ale představují šanci na úspěch.
GaN v Česku rovněž částečně řeší zdejší vývojové centrum STMicroelectronics, tedy největšího polovodičového výrobce v Evropě. STMicro se zapojila do evropského projektu GaN for Advanced Power Application (GaN4AP), společnost jí tam dělají ČVUT a Institut mikroelektronických aplikací (IMA). V rámci GaN4AP se operuje s téměř 64 miliony eur, přičemž Evropská komise přispěla více než patnácti miliony.
Čipy od STMicroelectronics na bezdrátové nabíjení. Dělá se na nich i v Praze:
GaN se v minulosti věnovala také americká společnost Onsemi, která má výrobu v Rožnově pod Radhoštěm. Na výzkumu spolupracovala i s VUT. Onsemi se nicméně rozhodla jít více cestou karbidu křemíku (SiC) a svou továrnu na GaN umístěnou v Belgii prodala společnosti BelGaN. Ta je vlastněná dvěma investory formálně zapsanými v Hongkongu, a sice Wuxi Group a Rockley Management. Rockley kombinuje kapitál z Velké Británie a Číny. Zakladatelem BelGaN je na Čínu rovněž napojený Alan Zhou se zkušenostmi z Qualcommu a dalších firem.
BelGaN chce produkovat 150– a 200mm wafery pro evropský automobilový sektor, obnovitelnou energii, průmysl a datová centra.
GaN spadá do širší oblasti výkonové elektroniky. Tou se v Česku zabývá pražská výroba japonské Hitachi Energy. Původně šlo o český podnik ČKD Polovodiče, který v roce 2010 přebrala ABB. Ta po investicích a modernizaci tato aktiva prodala Hitachi. Česká sekce Hitachi Energy má roční tržby 3,8 miliardy korun.
V Praze v Hitachi vznikají například HVDC tyristory využívané při přenosu velkých výkonů do velkých vzdáleností v Indii, Číně, Švédsku nebo ve Velké Británii. Dále jde o tyristory IGCT s uplatněním při řízení motorů velkých námořních lodí nebo konvertorů větrné energie. Tyristory GTO (gate turn-off) se dodávají pro drážní aplikace, průmyslové tyristory řídí pohony.
Přednáška ČVUT a Onsemi o čipech na bázi karbidu křemíku:
Chci odebírat newsletter
ČLÁNKY DO MAILU