Транзисторы нанометры

Когда говорят про транзисторы нанометры, все сразу представляют себе передовые процессоры Intel или TSMC с их 3 нм техпроцессом. Но в силовой электронике, где мы работаем, всё иначе. Здесь эти нанометры — не просто маркетинговый ход, а сложный баланс между напряжением, током, скоростью переключения и, что самое главное, надёжностью. Частая ошибка — думать, что чем меньше техпроцесс, тем лучше для любого прибора. Для высоковольтного MOSFET'а гнаться за сверхмалыми нормами — верный путь к пробою и тепловому разрушению. У нас в OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий при разработке силовых ключей часто приходится сознательно ?утолщать? некоторые элементы структуры, жертвуя плотностью упаковки ради стойкости к 600 В и более. Это не отсталость, а прагматизм.

Что на самом деле скрывается за цифрой ?нм? в силовой электронике

В логических схемах ?7 нм? — это, условно, длина затвора. У нас же, для приборов, которые должны коммутировать десятки ампер, ключевым становится не минимальный размер, а управление электрическим полем в области стока. Те самые нанометры в нашем контексте — это толщина эпитаксиальных слоёв, глубина диффузий, ширина обеднённой области. Помню, как при отладке процесса для диода быстрого восстановления на 1200В мы столкнулись с аномально высокими обратными токами. Всё считали, всё моделировали — по моделям должно было быть идеально. Оказалось, дело было в микроскопической (буквально несколько нанометров) неоднородности легирования на краю пластины, которую не ловил стандартный контроль. Пришлось пересматривать весь режим загрузки в диффузионную печь.

Именно поэтому наш сайт https://www.wfdz.ru мы не пестрим громкими цифрами техпроцессов. Мы пишем о стойкости к импульсным перенапряжениям, о низком сопротивлении открытого канала Rds(on), о времени восстановления. Для инженера, который проектирует ИБП или сварочный инвертор, это и есть те самые рабочие ?нанометры? — параметры, от которых зависит, будет ли его устройство стабильно работать на морозе в Сибири или в душном цеху.

Кстати, о локации. Наша компания зарегистрирована в Жугао, провинция Цзянсу — месте, известном как ?край долголетия?. В шутку мы говорим, что и наши компоненты должны обладать таким же ?долголетием? и живучестью. Это не просто слова. Долгая жизнь силового транзистора в тяжёлых условиях — это и есть высший пилотаж технологий, куда более сложный, чем просто масштабирование.

Практические ловушки при переходе на более ?тонкие? нормы

Был у нас опыт с попыткой адаптировать одну из линеек MOSFET под более высокую частоту переключения. Задача — снизить ёмкости. Логичное решение в теории — уменьшить размеры, ?подтянуть? техпроцесс. Сделали пробную партию на обновлённой линии. Параметры на постоянном токе — прекрасные, Rds(on) упал. Но как только начали циклы динамических испытаний с реальной индуктивной нагрузкой, пошли отказы. При вскрытии — классический лавинный пробой в самом неудобном месте, у края затвора.

Анализ показал, что при новом травлении немного изменилась геометрия краёв, возникла концентрация поля. Проблема в несколько нанометров разницы в скосе. Пришлось возвращаться к старой, более ?грубой? топологии маски, но компенсировать параметры за счёт оптимизации слоя полевой плиты. Выиграли в надёжности, немного проиграли в удельном сопротивлении. Для промышленного привода — правильный выбор. Для зарядки смартфона — нет. Всё упирается в применение.

Это к вопросу о том, почему наш портфель продукции на https://www.wfdz.ru такой широкий: от выпрямительных диодов до IGBT-модулей. Нет одной волшебной технологии на все случаи жизни. Для TVS-диода, который должен поглотить энергию молнии, нужна одна ?нанометровая? структура с глубоким пассивирующим слоем. Для высокочастотного диода Шоттки — совершенно другая, с идеальным металл-полупроводниковым переходом. И каждая требует своей, отдельной доводки процесса.

Оборудование и ?чувство? процесса

Работа с нанометровыми размерами — это постоянный диалог с оборудованием. Фотолитография, ионная имплантация, напыление. Малейший дрейф параметров в установке — и вся партия в утиль. У нас в цеху висит график по ключевой установке имплантации, который мы смотрим каждое утро, как синоптики на погоду. Температура резистента, давление, возраст мишени — всё влияет. Опытный технолог по косвенным признакам, по тому, как звучит насос или как меняется цвет плазмы во время травления, может предсказать проблему раньше, чем её покажет контрольный замер.

Это и есть та самая ?разработка технологических процессов?, которую мы в OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий указываем как ключевую компетенцию. Это не только математика и симуляции. Это накопленный годами ?датасет? из тысяч пластин, сотен отказов и успешных запусков. Когда мы говорим, что можем сделать стабилитрон с напряжением стабилизации 5.1В и ТКН меньше 0.01%/°C, за этим стоит именно такая рутинная, невидимая работа по контролю каждого этапа.

Именно поэтому, кстати, так сложно быстро развернуть производство абсолютно нового прибора. Даже если есть чистая комната и современные установки, нет главного — откалиброванных под конкретные задачи рецептов и людей, которые их чувствуют. Мы начинали с диодов и тиристоров, и только наработав эту базу, постепенно вышли на сложные транзисторы с полевым управлением.

Взаимодействие с заказчиком: когда спецификации недостаточно

Частая история: приходит запрос на диодный мост. Даны напряжение, ток, корпус. Делаем по стандартному процессу, отгружаем. А у заказчика в схеме есть паразитная индуктивность, и при выключении возникают выбросы, которые наш стандартный прибор, формально соответствующий спецификации, не всегда уверенно сдерживает. Раньше были конфузы.

Теперь мы научились задавать вопросы. ?А какая у вас частота коммутации? А характер нагрузки? Есть ли в цепи снабберы?? Часто оказывается, что клиенту нужен не просто диод, а диод с определённым, чуть более мягким, временем восстановления, чтобы снизить выбросы. Или, наоборот, с более жёстким, чтобы уменьшить коммутационные потери. Мы можем под это ?подкрутить? процесс: слегка изменить профиль легирования, чтобы управлять зарядом в области базы. Эти изменения — опять же, на уровне нанометров и концентраций атомов на кубический сантиметр.

Такая работа превращает нас из простого производителя в партнёра по разработке. На сайте wfdz.ru мы не просто перечисляем типы корпусов, мы размещаем апноуты с подробными осциллограммами переключения, графиками зависимости параметров от температуры, рекомендациями по монтажу. Это та информация, которая нужна инженеру, который вживую паяет плату и потом месяцами испытывает её в полевых условиях.

Будущее: куда двигаться, когда физические пределы близки?

Сейчас много говорят о переходе на широкозонные материалы — карбид кремния, нитрид галлия. Это, безусловно, прорыв. Но и здесь всё упирается в контроль на наноуровне. Дефекты в подложке SiC, морфология границ зёрен в эпитаксиальном слое — всё это определяет, будет ли прибор стабильно держать высокое напряжение. Мы тоже смотрим в эту сторону, ведём прикладные исследования. Но наш фокус — на том, чтобы довести до совершенства, до максимально возможного КПД и надёжности, кремниевые технологии.

Потому что рынок ещё десятилетиями будет нуждатьcя в этих ?рабочих лошадках?: в тех же тиристорах для управления мощными двигателями или в высоковольтных столбах для умных сетей. И здесь резерв ещё есть. Можно играть с вертикальными структурами, с чередованием p-n слоёв, с пассивацией поверхности. Каждое такое улучшение даёт выигрыш в процентах, но для промышленности эти проценты — огромные деньги на энергосбережении и снижении эксплуатационных расходов.

Так что, когда я слышу ?транзисторы нанометры?, я думаю не о рекламных буклетах, а о конкретном кристалле под микроскопом, о графике на экране измерительного стенда, о диалоге с коллегой-технологом о том, как нам ?поймать? эту партию. И о том, что наш продукт, будь то MOSFET или диод Шоттки, в итоге будет работать где-то на заводе, в электросети, в поезде — долго и безотказно. В этом, если вдуматься, и заключается настоящая магия этих самых нанометров.