Лео Лоренц. Транзистор на миллион

Если посмотреть непрофессиональным взглядом на биполярный транзистор с изолированным затвором, то можно увидеть лишь небольшой пластиковый блок с тремя штекерами не больше спичечного коробка, однако за этой неказистой деталью кроется одно из самых значимых открытий современной физики. Сейчас такой транзистор установлен в 96% всех электроприборов.

Он позволяет увеличить экономию производства в несколько десятков раз, сократить потребляемую энергию, а значит – улучшить климат на Земле. Разработкой этой технологии занимался советник директора по технологиям Infineon Technologies AG, номинант премии «Глобальная энергия» Лео Лоренц.
Созданный Л. Лоренцом новый тип биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ) произвел настоящую революцию в области преобразования энергии. «Принимая во внимание тот факт, что более 50% всей потребляемой электроэнергии перерабатывается в электрических машинах, эта новая технология оказала большое влияние на энергосбережение. Новый тип БТИЗ, выполненный по технологии «Trench/Field Stop» обладает прочностью, устойчивостью к перегрузкам и коротким замыканиям, низкими потерями в открытом состоянии и динамическими потерями; он прост в управлении, имеет отличные тепловые характеристики», – пояснил Л. Лоренц в интервью «Глобальной энергии».
По сравнению с предыдущими технологиями, БТИЗ обладает улучшенными электрическими и тепловыми характеристиками, более высокой надежностью, прочностью и более длительным сроком службы. «Выдающиеся электрические характеристики с точки зрения коммутационных свойств, показатели потерь в открытом состоянии, способность противостояния перегрузкам и короткому замыканию, а также простота в эксплуатации убедили системных инженеров сразу же начать применять эти устройства, заменяя ими предыдущие технологии», – отметил ученый.
Кроме того, стоимость нового типа транзисторов оказалась значительно дешевле по сравнению со старыми технологиям, а его энергосберегающий потенциал достиг 30%.
В результате всего за несколько лет новые биполярные транзисторы заменили собой почти все имеющиеся технологии и стали применяться в большинстве как промышленных, так и бытовых электроприборов.
Одновременно БТИЗ стали активно применяться в принципиально новых энергетических областях, таких как производство электромобилей, технологии возобновляемых источников энергии, сети среднего напряжения для подключения к энергосистемам.
На сегодня, БТИЗ применяются более чем в 96% всех электрических устройств. Эти устройства доступны в диапазоне мощностей от 500 В до 6500 В, от 1 А до 5000 А. Ими пользуются компании по всему миру, разрабатывающие и производящие системы управления двигателями – от очень малой мощности в 100 Вт в домашних и офисных помещениях до нескольких МВт в двигателях высокоскоростных поездов, насосах для откачки рудных вод, установках снабжения больших городов.
Перспективной областью являются источники возобновляемой энергии, такие как ветряные или солнечные электростанции, ЛЭП или любые сети постоянного тока, робототехника в автоматизации производства или просто системы хранения энергии в центрах обработки данных и в больницах. Помимо них существует множество других областей применения систем преобразования энергии: индукционный нагрев, твердотельные трансформаторы, применение в химической промышленности. Эти устройства необходимы для точного управления потоком электроэнергии, высокой эффективности, надежности и компактности.
Два в одном
Система Л. Лоренца основана на сочетании трех технологий: биполярном транзисторе, МОП-транзисторе с «суперпереходом» (в большинстве случаев диэлектриком в таком транзисторе является двуокись кремния SiO2, поэтому обычно используется название МОП-транзисторы, металл – оксид – полупроводник) и карбидокремниевых диодах Шоттки. Первые две технологии основаны на кремнийсодержащей подложке, а последняя – на материале с широкой запрещенной энергетической зоной.
По сути, новый БТИЗ – это трехэлектродный силовой полупроводниковый прибор, сочетающий два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Он используется, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводами. Каскадное включение транзисторов двух типов позволяет сочетать их достоинства в одном приборе: выходные характеристики биполярного (большое допустимое рабочее напряжение и сопротивление открытого канала) и входные характеристики полевого (минимальные затраты на управление).
Именно поэтому разработка нового улучшенного полевого МОП-транзистора с суперпереходом с применением карбидокремниевых диодов Шоттки стала важной вехой в работе по запуску сверхкомпактных высокоэффективных преобразователей переменного и постоянного и переменного/постоянного тока во всех автономных источниках питания и в сфере ИКТ мощностью до 10 кВт.
От простого транзистора к революции производства
«Работа по запуску и массовому внедрению в производство нового транзистора шла в три этапа и заняла несколько лет. На первом этапе, начало которого было положено еще в 1986 году, для БТИЗ была разработана новая технология ультратонкой кремниевой подложки-пластины из очень дешевого материала без эпитаксиального слоя. Это явилось прорывом, приведшим к созданию очень стабильного и недорогого устройства, устойчивого к току короткого замыкания и обладающего отличными коммутационными характеристиками. Дальнейшая реализация слоя «Fieldstop» (в 1994 году) и структуры канавочного затвора позволила добиться оптимизации электронно-дырочной плазмы, что в результате дало снижение потерь (динамических и статических) и позволило получить чрезвычайно надежное, легкоуправляемое полупроводниковое коммутационное устройство по невысокой цене», – отмечает Л. Лоренц.
Одновременно шла работа по совершенствованию технологии «суперперехода» в МОП-транзисторах, в том числе, для полевых низковольтных МОП-транзисторов. К началу 2000-х гг. был запатентован ряд решений, таких как конструкция p-колонны, вертикальная структура или конструкция межзонного контакта. Это позволило расширить диапазон напряжения до 20 В. Благодаря этой новой ключевой технологии стали возможными революционные усовершенствования импульсных источников питания (ИИП), которые увеличили в разы показатели удельной отдачи энергии и эффективности. «Но для внедрения МОП-транзистора в массовое производство потребовалась стадия исследования длиной почти в 4 года, поскольку было необходимо точно контролировать компенсацию носителя. По прошествии этого срока мы получили весьма стабильное и надежное производство с очень высоким объемом выработки», – добавляет исследователь.
Итогом первого этапа стало создание быстродействующего, микро структурированного, небольшого и дешевого чипа. Но чтобы использовать его в электрическом двигателе средней и высокой мощности, понадобилось разработать совершенно новую конструкцию корпуса и технологию сопряжения чипов.
В 1988 году был разработан изолированный многокристальный силовой модуль на основе подложки, созданной при помощи технологии прямого присоединения меди и предварительно согнутых базовых пластин. Это потребовало большой новаторской работы в области материаловедения. Для маломощных и недорогих устройств, например, для холодильников, понадобилось разработать интеллектуальный интегрированный силовой модуль, состоящий из микросхем питания + микросхемы привода + микроконтроллер. Впервые (в 1994 году) была разработана крупномасштабная структурированная предварительно гнутая керамика с применением технологии ППМ в процессе формования. «По прошествии 6 лет непрерывного процесса развития, направленного, в частности, на минимизацию индуктивности рассеяния и распределенной емкости, а также на получение новых материалов для теплопередачи и коэффициента теплового расширения вместе с новыми технологиями соединения микросхем, уже можно с уверенностью продемонстрировать общий успех этих устройств», – рассказывает Л. Лоренц.
На третьем этапе стояла задача по запуску новых устройств в серийное производство. Сложность заключалась в том, что новый транзистор приводил к переосмыслению всего производственного процесса техники. «Проникновение на рынок и внедрение новых технологий требует больших затрат времени и средств. С одной стороны, важно убедить инженеров по прикладным задачам и лиц, принимающих решения в компании, в преимуществах этих новых устройств на системном уровне, продемонстрировав превосходство их электрических и тепловых характеристик, управляемости, прочности, надежности, способности восстановления, организацию производства на конкурсной основе, конкурентоспособные цены и т.д. С другой стороны, важно обучить всех экспертов НИОКР, ответственных за разработку преобразователя мощности, тому, как внедрять устройство и эксплуатировать его на системном уровне», – отмечает ученый.
«Потребовалось создание очень разумной структуры обучения для компаний во всем мире, наряду с созданием выдающейся университетской концепции по внедрению обучения новым технологиям силовых полупроводников и задачам в применении этих новых устройств. Я самостоятельно начал преподавать эти темы студентам и руководил многими исследовательскими темами, связанными с этими новыми силовыми устройствами и критериями их проектирования всех областей применения», – подчеркнул он.
Экономика должна быть экономной
Новые подходы к БТИЗ и МОП-транзисторам с «суперпереходом», применяемые с карбидокремниевым диодом Шоттки, позволили достичь невероятной эффективности и экономии средств. Это в свою очередь позволило развивать технологии, ранее считавшиеся нерентабельными из-за высокой цены, например, технологии ВИЭ.
«Общая стоимость системного применения была значительно снижена за счет запуска массового производства, оптимизации этапов процесса, увеличения размера пластины и выхода продукции и, наконец, стабильного уменьшения размера кристалла. В итоге, привлекательная стоимость открыла двери для многих новых областей применения данной технологии – например, электрический транспорт, технологии использования возобновляемых источников энергии и т.д.», – отметил Л. Лоренц.
«В случае цифровых интегральных схем идет речь о себестоимости в размере 450 долларов. В случае БТИЗ и устройств с технологией «суперперехода», речь идет о себестоимости в размере 25 долларов США, то есть менее 10% от общего объема производства полупроводников. Кажется, что это не так много, но силовые устройства отвечают за точное управление потоком электроэнергии, высокий КПД и надежность. Силовые устройства – движущая технология всей инфраструктуры электроснабжения любой страны. Для всех систем, в которых мы работаем, например, транспорт, энергоснабжение, дом и офис, автоматизация производства, ИКТ, медицина и т.д., требуются преобразователи энергии», – пояснил ученый.
Усовершенствованные в ходе работы Л.Лоренца МОП-транзисторы с суперпереходом, используемые самостоятельно без применения к БТИЗ, также дают невероятную экономию производства. Преобразователи мощности являются основными элементами всей бытовой электроники (например, индукционных плит, телевизоров, приемников, тюнеров, DVD-плееров, электрических зубных щеток и т.п.), компьютеров, мобильных телефонов и различных промышленных устройств. Только адаптеров для ноутбуков, в которых включены данные транзисторы, в мире ежегодно производится более 1 миллиарда штук.
Использование МОП-транзисторов с «суперпереходом» в крупногабаритном оборудовании приводит к экономии энергии, заметной в масштабах отдельно взятой страны. «В Германии энергосбережение составляет 7 ТВт-ч, что эквивалентно сокращению выбросов CO2 на 2,8 млн тонн в год; во всем мире это число составляет 42 ТВт-ч экономии энергии, что эквивалентно сокращению выбросов СО2 на 21 млн тонн», – рассказал Л.Лоренц.
Технология МОП-транзистора с суперпереходом для диапазона напряжений от 400 В до 900 В была также применена для низковольтного МОП-транзистора, так называемого полевого МОП-транзистора. Это позволило повысить удельную мощность более чем в 100 раз, с 0,3 кВт/дм3 в 1990 году до 60 кВт/дм3 в 2020 году с повышением КПД в среднем на 22% (примерно 70% в 1985 году, свыше 90% в 2020 году).
Не останавливаться на достигнутом
Несмотря на значительные успехи, работа по усовершенствованию транзисторов будет продолжена. «Разработка силовых устройств всегда определяется снижением потерь (динамические и статические потери), повышением прочности устройства (устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям, лавинное поведение, устойчивость к воздействию космических лучей, качество оксидов, пороговое напряжение и стабильность и т.д.), надежностью и сроком службы устройства (технология соединения микросхем, коэффициент теплового расширения материала, рабочая температура, покрытие кристалла, общая технология упаковки и т.д.) и мощностью привода, включая простоту в управлении», – отмечает Л. Лоренц.
Основные будущие усовершенствования будут выглядеть следующим образом:

Устройства, оптимизированные для своей области применения с целью снижения затрат (дрейфовый слой, проектирование каналов и т.д.);
Разработка и проектирование каналов (с учетом возможности полностью цифрового управления);
Обработка оксидного слоя затвора (в частности, для карбидокремниевых устройств);
Материал полупроводников с широкой запрещенной зоной (карбид кремния, нитрид галлия, оксид галлия, алмаз, устройства, изготовленные по технологии «Tri Gate»);
Интеграция (БТИЗ, проводящие в обратном направлении, и БТИЗ с обратной запирающей способностью, датчики температуры и т.д.);
Измерение соответствующих параметров старения (температура, отслоение крепления чипа, старение металлизации чипа) и прогнозируемый контроль времени жизни для обслуживания;
Саморегулирующиеся di/dt, dv/dt (особенно для суперперехода, быстродействующих БТИЗ, материалов с широкой запрещенной энергетической зоной);
Усовершенствование проектирования каналов для низковольтных (ниже 1000 В) карбидокремниевых устройств;
Повышение допустимого напряжения (до 8 кВ для кремниевых устройств; свыше 8 кВ для карбидокремниевых устройств) с учетом всех аспектов надежности, прочности и безопасности;
Вертикальные устройства из нитрида галлия для напряжений свыше 300 В;
Встраивание источники питания для скоростных переключателей;
Минимизация распределенной емкости и паразитной индуктивности внутри корпуса;
Усовершенствованное терморегулирование для отвода тепла;
Новые материалы для повышения рабочей температуры и температуры перехода;
Новые материалы для улучшения КТР (коэффициента теплового расширения);
Снижение затрат на уровне упаковки (оптимизированные материалы, соответствующие требованиям приложения, улучшенное терморегулирование, технологии монтажа чипа и т.д.)

Помимо конструкции и обработки, еще более важной является технология монтажа и упаковки микросхем, а также новые материалы, отвечающие более высоким требованиям к надежности, особенно материалы, применяемые в обучаемых средах, таких как морская ветроэнергетика, железные дороги, системы электрического транспорта, аэрокосмическая отрасль и т.д.
«Интересно отметить, что все, что мы узнали в ходе разработке и оптимизации устройств БТИЗ и «суперперехода», можно перенести и на транзисторы с широкой запрещенной зоной. На уровне микросхемы основные отличия заключаются в том, как обрабатывается в 10 раз более высокое электрическое поле во включенном и выключенном состоянии, а также в разработке каналов для достижения более высокой подвижности носителей», – отметил ученый.
По словам Л. Лоренца, усовершенствование БТИЗ и МОП-транзисторов будет продолжено, а эти технологии будут оставаться определяющими в современном развитии техники и цифровых систем. «Я абсолютно уверен в том, что структура устройства БТИЗ и его дальнейшее развитие останутся ключевой технологией в течение двух–трех десятилетий», – подчеркнул ученый.