Беспилотная авиация стала новым родом войск. И привлекла много внимания к теме радиоэлектронного противодействия. Системы РЭБ различного типа требуют мощной электроники. Ученые из Китая попробовали применить для ее создания такой перспективный материал, как алмаз. Заявляется, что созданное изделие обладает на 30% более высокой плотностью мощности, чем аналоги из привычных материалов. Такое изделие может найти применение также в радарах и в устройствах связи. 

Строго говоря, в Китае создали полупроводники не из алмаза, а из нитрида галлия (GaN), но на алмазной подложке. И только это уже позволило повысить предельные значения плотности мощности на 30%. Причем, речь идет не о каком-то экспериментальном транзисторе, а о создании производственной линии и отлаживании ее работы. 

Китай имеет высокие компетенции в области искуственных алмазов, доминируя на мировом рынке с долей выше 95%. Только в 2023 году китайские фабрики произвели более 16 млрд каратов синтетических алмазов, что в 8 раз больше известных запасов природных алмазов на нашей планете. Это привело к падению цен на алмазы и к возможности использовать их в микроэлектронном производстве. 

Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) известны не первый год и играют ключевую роль в современных радарах и экспериментальном микроэлектронном оружии. В настоящее время кристаллы HEMT обычно производятся на основе нитрида галлия. У этого материала есть неприятная особенность - при его использовании выделяется немало тепла, рассеять которое не так просто. В итоге существующие устройства обычно работают с 20-30% от своей теоретической производительности. Здесь и может помочь алмазная подложка. Алмаз известен как материал с самой высокой теплопроводностью, в 5 раз более высокой, чем у популярного карбида кремния (SiC), вдобавок алмаз демонстрирует превосходную химическую и физическую стабильность - идеально для решений, которые должны работать даже при экстремальных условиях эксплуатации.

Многие пробовали применить алмаз в микроэлектроники, мало кто добивался успеха. Физико-химические свойства алмаза и нитрида галлия настолько разные, что это затрудняет их прочное соединение. А если их, например, склеить, то не достигается цель, ради которой все и затевалось - снижается эффективность отвода тепла. 

В Китае разработали метод выращивания алмаза на нитриде галлия. Процесс сложны - требует чрезвычайно высоких температур и давлений, что может повредить чип GaN. Китайские ученые утверждают, что смогли преодолеть эти инженерные проблемы. Процесс начинается с "посадки семян" алмаза на поверхность алмаза, это делается при сравнительно низких температуре и давлении. Из созданных точек роста после увеличения температуры и давления выращивается качественный слой алмаза, шириной порядка в сантиметр. 

Хотя описание простое, на деле процесс очень сложный и чувствительный к отклонениям параметров, даже небольшие отклонения могут привести к тому, что в алмазе возникнут примеси графита, а это опять же ухудшит его теплоотводящие свойства. Китайские ученые нашли способ, как отладить процесс с тем, чтобы не образовывались примеси. Это открыло путь к крупномасштабному производству  HEMT-устройств GaN-на-алмазе. Эти продукты обладают огромным потенциалом для применения в СВЧ-устройствах следующего поколения, от военных применений, до вполне гражданских - в радарах, а может быть и радио 6G, например. 

В последние годы отмечаются заметные успехи китайских военных в области РЭБ. Не так давно была волна публикаций о способности оборудования радиоэлектронной разведки НОАК справляться с обработкой огромных объемов данных, собираемых на поле боя в режиме реального времени. Некоторые исследователи уверены, что интеграция радаров и антенн связи на новых китайских военных кораблях находится на заметно более высоком уровне, чем на основных кораблях ВМС США. 

С 2023 года ВМС США публично уволило 18 командующих различными подразделениями ВМС с формулировкой "потеря доверия". Многие из этих офицеров участвовали в военных операциях в Южно-Китайском море или в западной части Тихого океана. Поскольку боевые снаряды и ракеты в этих событиях не применялись, некоторые эксперты считают, что увольнения отражают негативные результаты в области радиоэлектронной борьбы. 

Китайские достижения в области технологии GaN-на-алмазе могут еще более укрепить уверенность Китая в превосходстве его решений в области РЭБ. 

Китай - не единственная страна, которая занимается HEMT-устройствами на алмазе. Японская Mitsubishi Electric еще в 2019 году объявляла, что разработала устройства HEMT на основе нитрида галлия с алмазной подложкой и планирует наладить коммерческое производство соответствующих изделий к 2025 году. Исследовательская группа под руководством доцента Цзяньбо Ляна и профессора Наотэру Сигэкавы из Высшей инженерной школы Osaka Metropolitan University также добились успехов в этой области - создали GaN HEMT - транзисторы с высокой подвижностью электронов, используя алмаз в качестве подложки. Ученые утверждают, что даже после отжига при температуре 1100 C° не наблюдалось отслоения на границах связи 3C-SiC/алмаз, а тепловая граничная проводимость достигает примерно 55 МВт на м^-2 К^-1. В университете Саги совместно с компанией Japan Orbray разработали силовой полупроводник на базе алмаза, позволяющий работать с мощностью до 875 МВт на 1 кв. см. Это направление активно разрабатывают в США (Университет Аризоны) и AMPED STC (США) в партнерстве с Northrop Grumman Mission Systems - здесь экспериментируют с технологией нитрид бора на алмазе.

Алмазными подложками и технологией GaN-на-алмазе в мире занимаются очень активно, в связи с чем можно упомянуть такие компании, как:

• Advanced Diamond Technologies
• Akash Systems, США
• AKHAN Semiconductor Inc., США
• Applied Diamond Inc., США
• Blue Wave Semiconductor, США
• Carat Systems, США
• CIVIDEC Instrumentation, Австрия
• Cornes Technologies Ltd, Япония
• Crystallume, США
• Diamond Microwave Limited, Великобритания
• Diamond SA, Швейцария
• Electro Optical Components, Inc.
• Element Six, Ирландия
• IIa Technologies Pte. Ltd., Сингапур
• II-VI Incorporated, Швейцария
• Microwave Enterprises Ltd., США
• Neocoat SA, Уругвай
• New Diamond Technology LCC., Россия
• Qorvo Inc., США
• RFHIC Corp., Корея
• Seki Diamond Systems, Япония
• Sumitomo Electric Industries, Ltd, Япония 
• WD Lab Grown Diamonds, США

Но даже если какие-то другие страны и достигнут аналогичного уровня технологических решений, они все равно не будут конкурентоспособными с Китая с точки зрения производственных мощностей и затрат на производство.

Применение алмаза в мощных СВЧ-полупроводниках, это не единственное перспективное направление. Некоторые ученые указывают на то, что полупроводники на основе алмаза могут найти широкое применение в процессорах следующего поколения и в квантовых компьютерах. 

Китайское правительство инвестирует в индустрию искуcственных алмазов уже почти 2 десятилетия. В некоторых провинциях, например, в Хэнань, были созданы крупномасштабные производственные базы, мощности которых намного превышают текущий мировой спрос на алмазы. По оценкам некоторых экспертов это позволит Китаю, при необходимости, утроить производство алмазов. 

по материалам South China Morning Post и других источников 

--

За новостями телекома и IT удобно следить в телеграм-канале abloud62. Региональные новости и анонсы пресс-релизов вы найдете в канале abloudRealTime, также подключайтесь к каналу Бойко про телеком ВКонтакте

теги: микроэлектроника алмазы Китай GaN-на-алмазе

--