26-2

Александр Матухнов, член РЭОШ. Об эволюции полупроводников. Часть 3

Первая часть (с предисловием В.Ю. Катасонова)  — https://reosh.ru/aleksandr-matuxnov-ob-evolyucii-poluprovodnikov-s-predisloviem-v-katasonova.html

Вторая часть — https://reosh.ru/aleksandr-matuxnov-aleksandr-matuxnov-ob-evolyucii-poluprovodnikov-chast-2.html

И так, в начале уделим внимание другим пп приборам.

Оптоэлектронные пп приборы широко применяемые в наше время. К ним относятся излучающие приборы такие как: диоды различного спектра излучения (диоды ИК и УФ спектра излучения, «светоизлучающие» СИДы или англ. LED) и полупроводниковые лазеры; а также приемники излучения: фотодиоды, фоторезисторы, фототранзисторы и фототиристоры, приемники радиационного излучения, фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Последние известны наверное каждому из нас как «солнечные элементы». Существуют также комбинации излучателей и приемников в виде оптопар. Добавим немного подробностей об оптоэлектронике из истории. В 1-й части этой статьи упоминалось что свечение карбида кремния открыто советским исследователем Олегом Владимировичем Лосевым который общемировым признанием считается родоначальником оптоэлектроники. Спустя десятилетия, в 1962г, Ник Холоняк (Nick Holonyak), в то время сотрудник GE, представил GaAsP диод который светился красным цветом. Первые такие коммерческие приборы выдали Fairchild в 70-х. Позднее, в 1977г, Холоняк сконструировал полупроводниковый лазер который испольльзуется сегодня во многих устройствах. Уже в 90-е, Шуджи Накамура (Shuji Nakamura) из японской Nichia создает диоды названные «светоизлучающими» (условно белое свечение). Примечательно, что материал подложки (искусственно выращенный монокристалл корунда или сапфир как его обычно называют) требуемого качества японцы находят в России. Монокристаллы для подложек СИД-качества выращивает единственный в мире на тот момент завод «Аналог» (ныне известный «Монокристалл») расположеный в Ставрополе. Благодаря заказам из Японии завод не только сохранился но и стал крупнейшим поставщиком материала на мировой рынок в 2000-е годы, сегодня продолжает быть одним из ведущих (более половины мирового объема). Кстати, автор этой статьи в свое время занимался коммерческим производством ростовых печей для выращивания монокорунда. С начала 2000-х СИДы получили мощное продолжение, тогда их начали применять как осветительные приборы и в т.ч. использовать в подсветке ЖК-дисплеев (back light LCD) которые приходили на смену мониторам с электронно-лучевой трубкой. Вспомним здесь что другим важным элементом пикселя ЖК дисплея является тонкопленочный транзистор (т.н.TFT, разработка Paul K. Weimer, RCA, 1962г), отсюда и название — TFTLCD. А первый такой дисплей (36 пикселей) в 1968г был представлен руководителем группы его разработчиков, Джорджем Хейлмайером, проект разрабатывался там же где и был начат, в RCA Laboratories.

Напомним что применение СИДов в качестве осветительных приборов и подсветки ЖК-экранов заметно ухудшило зрение пользователей. По мнению автора причиной того является узкий спектр излучения СИДов, в отличие от широкого спектра солнечного излучения (собственно света) привычного человеческому глазу.

Сегодня самые передовые СИДы на карбидкремниевой подложке производит американская CREE. На сапфировой подложке делают: японская Nichia, Южная Корея, тайваньцы и китайцы. Те же азиаты производят матрицы для дисплеев.

Назовем другие пп приборы которые незаметно присутствуют в различных устройствах: терморезисторы, тензорезисторы, варисторы, термоэлектрические преобразователи, приборы на эффекте Холла (в каждом ДВС), пп газоанализаторы.

Существуют также малоизвестные (не включенные в справочники), несерийные пп приборы разработанные и произведенные по индивидуальным заданиям заказчиков. Основная же типономенклатура пп приборов была сформирована к середине 80-х прошлого столетия, т.е. новых «справочных» приборов после того создавалось не много. К этому времени также известны и основные производители (страны-производители) этих приборов и мы еще раз вернемся в историю чтобы уделить внимание географии полупроводниковых компаний.

Выше уже много сказано о том как и почему все начиналось именно в США. Добавим что производство пп компонентов стимулировали стремительно развивающиеся в штатах ЭВМ и РЭА (а в каждом секторе военная + гражданская продукция). За 30 лет развития пп промышленности (к 90-м 20-го) североамериканцы имели более 100 заводов которые производили абсолютно все востребованные на тот момент пп приборы а также, что очень важно, имели возможности для разработки новых.

К началу 90-х 2-е место по производству пп после США займет Япония. Но для этого самураям пришлось хорошо потрудиться. В 60-е годы страна восходящего солнца активно занимается развитием производства полупроводников «перенимая» американский опыт. Японцы копируют РЭА гражданского назначения и неизбежно копируют их пп «начинку», скупают любые доступные патенты из области пп. Наши близкие соседи весьма продуктивны и к середине 70-х производством пп успешно занимаются уже несколько компаний, такие как Hitachi, NEC, Fujitsu, Mitsubishi, Toshiba и другие. Да, японцы не были пионерами но за короткие сроки (примерно 20 лет) сумели создать мощную пп промышленность полного цикла. При этом они естественно экономили на разработках которые уже были сделаны американцами и могли предлагать продукцию по более низкой стоимости, и не только РЭА но и сами пп приборы. Способности японцев явно недооценили и в последствии «новички» начали вытеснять «хозяев» даже со своего собственного рынка! Сегодня Япония обладает всем необходимым (за исключением сырьевых материалов) для производства пп приборов.

Обособленная Англия (возможно индийские заводы в т.ч.) тихо и незаметно станет 3-й к концу ушедшего века. В основном работают на собственные потребности, оборонка, авто, авиа.

Так или иначе полупроводниковое дело продолжается в Европе после потерь во время 2-й мировой войны. Некоторым европейским компаниям удается вернуть своих специалистов из США. А известная голландская Philips (пп подразделение сейчас именуется NXP Semiconductors) в 1975г приобретает американскую компанию Signetics. Вспомним и некоторых других западно-европейских производителей пп приборов, Telefunken Electronics и Siemens (ФРГ), Thomson-SCF (Франция). Здесь же достигли хорошего уровня в производстве пп материалов и оборудования для таких производств (Wacker, Centrotherm, PVA TePla).

Отдельно от капиталистической Европы и в тесной кооперации с СССР были созданы пп заводы в евространах «соцлагеря». «Электрони элементи» в Болгарии, польская Unitra, RFT в ГДР, Tesla в ЧССР, Electronska Industrija в Югославии. Сегодня от них остались только воспоминания и возможно музейные ценности…

Южнокорейские производители, по мнению автора создавались в противовес японским компаниям т.к. их самостоятельность явно не входила в «глобальные планы». Так известная пара была проинвестирована и ориентирована на производство бытовой техники. Южнокорейские производства выстраивались по корпоративной схеме (все до винтика самостоятельно). Следуя этому, Samsung и Gold Star (ныне LG) организуют собственные, достаточно крупные полупроводниковые подразделения. Даже Hyundai в 1983г обзавелась собственным производством электроники (Hyundai Electronics). Но, удержать непрофильное для Hyundai подразделение не удалось и после смены многих владельцев и дефолта 2009 года, в 2012г компания вошла в состав SK Group под новым именем SK Hynix и сегодня является одним из самых крупных производителей кристаллов оперативной памяти (упоминалось выше) а также развивает контрактное производство (изготовление пп приборов по заданию разработчика). Примечательным является тот факт то что дела Samsung и LG шли весьма успешно во все времена.

Контрактное производство, это заводы которые производят пп приборы на пластинах (поэтому иногда используют англ. wafer fab) по заказу разработчиков. Как уже отмечалось, эта часть производственной цепочки является наиболее ресурсозатратной.

Здесь известные тайваньские долгожители, TSMC (1-е место по объему контрактов) и UMC (3-е место, на Тайване с 80-х). Только эти две компании контрактуют более 60% заказов от безфабричников. Они были созданы на Тайване по сторонней инициативе, местные используются как «рабочие руки», при этом кадры высокой квалификации в основе своей иностранцы. Добавим что ТЭК Тайваня полностью контролируется США, а наличие электроэнергии обеспечивается поставками СПГ (99% электроэнергии является газотурбинной). Фабрики о которых говорится имеют постоянную загрузку что делает себестоимость производства очень низкой. Напомним что тайваньцы являются только звеном производственной цепочки. Часто случается так что заводы ничего не знают о приборах кристаллы которых изготавливают. Например, производя отдельные кристаллы для процессорных ГИС Intel и AMD изготовитель не имеет представления о схеме всего процессора, хозяева изделий проводят корпусирование подальше от производства пластин. Вспоминается как во время «ковидного» периода Тайвань был объявлен причиной дефицита полупроводников. СМИ трубили про отсутствие: дождей (то правда, годы выдались засушливыми), неона с воюющей Украины, редких металлов из недружественного Китая и т.п. О редких металлах, действительно китайские компании являются крупными поставщиками германия и галлия и обычно контрактуют свои материалы по демпенговым ценам но, существуют альтернативные поставщики. То же касается украинского неона. Достоверно же известно то что в «трудные времена» тайваньские производственные мощности были загружены на 100%. По мнению автора весь этот шум был лишь «дымовой завесой», просто нужно было убрать «лишних» и в очередной раз напомнить кто «хозяин» в мире пп.

На 2-м месте среди контрактников глобальная GlobalFoundries (год основания-2009) которая отличается от других тем что сосредоточила в себе все циклы производства пп приборов, разработки, исследования, производство приборов на пластинах и корпусирование. Компания имеет обширную географию, США, Германия, Бельгия, Болгария, Индия, Япония, Ю. Корея, Китай, Тайвань, Малайзия, Сингапур.

Также, по заданию разработчиков могут производить южнокорейские Samsung и SK Hynix.

Там же «условно китайский» SMIC. Компания лишь расположена на территории Китая но работает на своего «хозяина».

К числу компаний выполняющих сторонние заказы относится «наш родной» зеленоградский Микрон с его совсем не российской географией поставок.

Быстро растущее с середины 80-х контрактное производство существенно повлияло на расклад в пп индустрии таким образом что многим компаниям стало просто не рентабельно самим производить пп приборы и они вынуждены были сжиматься до отдела разработок или вовсе закрываться. С ушедшим столетием перестали существовать многие полупроводниковые предприятия. Особенно это коснулось Европы и США. Отметим что смогли сохранить производство японцы.

Китайцы, чего и как они достигли в области пп. После распада СССР на наших заводах скопилось много невостребованного пп оборудования которое соседи начали активно скупать. Вместе с оборудованием «наши друзья» получали и специалистов которые охотно переходили на более высокие зарплаты. Так китайцы за короткое время получили работающие линии и готовые приборы с технологией (маршрутные листы и фотошаблоны). Постепенно происходила замена советского оборудования на импортное. Спрос на приборы стабильно обеспечивал местный рынок. Сейчас Китай самостоятельно производит основную часть номенклатуры дискретов и несложных ИС а некоторые (повторим) способны производить процессоры и память. Что китайцы не могли делать сами они заказывали у других контрактников (в т.ч. на Тайване) но, известные события заставили их подтянуть собственные производственные возможности и многое удалось сделать. В конце 2023г китайцы заявили о создании собственного фотолитографического оборудования для нанометровых процессов (упоминалось выше). Если машина рабочая то в этом 2024 году мы должны услышать о «собственных» китайских процессорах произведенных на 28нм. В целом хороший результат за такой недолгий период и при условии сохранения нынешних темпов в будущем китайцы смогут самостоятельно обеспечивать себя всеми необходимыми пп приборами.

А как это было в СССР?

   Нашим приходится догонять американцев и на это сподвигло отставание в военной технике. Вот что рассказал в интервью журналу «Электроника Наука Технология Бизнес» (3-4/98г) очевидец и участник событий того времени радиофизик А. А. Колосов.

Андрей Александрович работал в КБ-1 которое (сейчас именуется НПО «Алмаз») а позднее перешел в НИИ-37 (сейчас НИИДАР).

«Идут послевоенные годы, делаем все новую и новую аппаратуру для новых моделей самолетов и кораблей, все большее место занимает ракетное вооружение. И вот видим: электроника в американских ракетах и РЛС меньше и легче нашей в несколько раз. В зарубежной печати уже появились первые американские статьи о производстве интегральных схем. Меня эти вопросы очень заинтересовали.»

До принятия решений «наверху» проходит некоторое время и 8-го августа 1962г ЦК КПСС и Совмином СССР подписано постановление о создании Центра Микроэлектроники (ЦМ) в городе-спутнике. О том как далее развиваются события объективно изложено в другой статье уже знакомого журнала, «Зеленоградский центр микроэлектроники, создание, рассвет, закат…» («Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 1/2007).

«Определялись главные задачи ЦМ как головной организации в стране по микроэлектронике:

– обеспечение разработок и опытного производства ИС на мировом техническом уровне (догнать Америку) в интересах обороны страны и народного хозяйства;

– обеспечение перспективного научного задела;

– разработка принципов конструирования радиоэлектронной аппаратуры и ЭВМ на основе микроэлектроники, организация их производства, передача этого опыта соответствующим организациям страны;

– унификация ИС, условий их применения в аппаратуре на предприятиях страны;

– подготовка кадров, в том числе специалистов высшей квалификации”

Постановление определяло первоначальный состав предприятий ЦМ — пять новых НИИ с тремя опытными заводами: НИИ теоретических основ микроэлектроники, НИИ микросхемотехники, НИИ технологии микроэлектроники, НИИ машиностроения, НИИ специальных материалов.

   Необходимо подчеркнуть, что создание ЦМ было не обособленной акцией, а частью масштабной программы построения новой подотрасли — микроэлектроники, инициатором и организатором которой был А.И.Шокин. В Москве, Ленинграде, Киеве, Минске, Воронеже, Риге, Вильнюсе, Новосибирске, Баку и других регионах начиналось перепрофилирование имеющихся или создание новых НИИ с опытными заводами и серийных заводов с КБ. Первые должны были разрабатывать, а вторые массово производить ИС, специальные материалы и специализированное технологическое и контрольно-измерительное оборудование. ЦМ был всего лишь частью огромного айсберга, его вершиной.

   Сразу после выхода постановления команда А.И.Шокина приступила к созданию ЦМ (позже – Научный центр, НЦ). Постановление давало ЦМ право принимать на работу специалистов из любой точки СССР. Строительный задел в Спутнике позволял сразу выделять жилье сотрудникам. Это привлекало в ЦМ высококлассные кадры, и из них можно было отбирать лучших специалистов. Начали создаваться НИИ с опытными заводами:

1962 год — НИИ микроприборов (НИИМП) с заводом “Компонент” и НИИ точного машиностроения (НИИТМ) с “Элионом”;

1963 год — НИИ точной технологии (НИИТТ) с “Ангстремом” и НИИ материаловедения (НИИМВ) с “Элмой”;

1964 год — НИИ молекулярной электроники (НИИМЭ) с “Микроном” и НИИ физических проблем (НИИФП);

1965 год – Московский институт электронной техники (МИЭТ) с опытным заводом “Протон” (1972);

1968 год — Центральное бюро по применению интегральных микросхем (ЦБПИМС);

1969 год — Специализированный вычислительный центр (СВЦ) с заводом “Логика” (1975).

   К началу 1971 года в НЦ работало 12,8 тыс. человек. В 1976 году на его базе было создано НПО “Научный центр” — 39 предприятий в разных городах страны с персоналом численностью в общей сложности около 80 тыс человек.»

   Была проделена большая работа. Отметим однако что своих собственных разработок было мало, в основном копировали американское но многое дорабатывали и добивались даже лучших результатов по сравнению с оригиналами. СССР самостоятельно производил все единицы оборудования полупроводниковых линий на которых выпускались аналоги всех существующих в мире типономиналов пп приборов, включая процессоры и элементы запоминающих устройств. Продукция пп заводов распределялась между военными, ЭВМ и бытовой техникой. После сокращения оборонных заказов в конце 80-х и открытия рынка для импортных товаров потребность в отечественных пп приборах упала почти до нуля и многие полупроводниковые заводы быстро остановились. Существенно сократив производство продолжали работу лишь несколько заводов которые в основном производили приборы для заказчиков-корпусировщиков (дискреты и несложные ИС). Позднее, молодое китайское производство резко сократило и эти заказы. В те годы многих наших специалистов, не востребованных в постсоветской России, трудоустроили зарубежные компании. Войдя в клуб «контрактное производство» сохранились: зеленоградский Микрон и ставший его младшим братом воронежский завод полупроводниковых приборов (ВЗПП, в 2000-е переименован в ВЗПП-Микрон, где трудился в свое время во 2-м поколении автор этой статьи). В 2000-е на Микрон была поставлена бу но импортная линия оборудования (диаметр пластин 200мм, техпроцесс 180нм) что сделало его передовым на территории Российской Федерации.

 

Материалы для производства пп. Кремний остается основным материалом для ИС. В производстве же дискретных приборов кремний и германий в последнее время уступают место более устойчивым к высоким температурам арсенид-галлиевым (GaAs) и карбид-кремниевым (SiC) приборам. Кстати, крупнейшим производителем карбида кремния, благодаря специалистам из ЛЭТИ которых «пригласили порабоать в Америке» в свое время, является американская компания Cree. Ее успех пока никому не удалось повторить. Из пп группы АIII ВV кроме арсенида галлия используют также нитрид (GaN) и фосфид галлия (GaP), редко но используется антимонид галлия (GaSb), соединения индия: антимонид (InSb), арсенид (InAs) и фосфид (InP). Это материалы из которых делаются сами пп приборы но необходимы также и расходные материалы для их производства такие как, фоторезисты, особо-чистые химреактивы, и другие.

Приведем достижения пп отрасли за вековой период своего развития в цифрах (справочные данные).

Дискретные приборы, диоды и транзисторы, по 15 видов каждого, в общей сумме справочники насчитывают порядка 5 тысяч типономиналов.

ИС, 200 типономиналов аналоговых микросхем включают 10 разновидностей. Цифровых микросхем (логика, МП, МК, ЗУ) производится на порядок больше, 2000 типономиналов включают примерно 50 различных серий.

Общее количество иностранных компаний (на 90-е прошлого века до перераспределения производста в пользу азиатских контрактеров) достигало 150 и их прописка следующая, США – более 100 компаний, на 2-м месте Япония – 12 компаний, 3-я Англия – 7, далее Индия – 6, Италия – 4, Испания, Франция, Швейцария по 2 завода в каждой стране, один в Голандии. Остальное Ю-В. Азия.

СССР насчитывал порядка 100 предприятий по всей стране которые, как уже отмечалось, производили весь типономенклатурный спектр приборов.

Повторим, что появление и дальнейшее укрупнение контрактных производств существенно сократило количество производителей полупроводниковых приборов. Известно что в последнее время осознание значимости полупроводников заставляет работать обратную тенденцию но, создавать такие производства является очень не простой задачей.

Сегодня почти каждый из нас носит в кармане целый набор пп приборов в составе какого-либо электронного помощника. Благодаря полупроводникам мы получили не мало новых возможностей…

 

 

Оставить комментарий

avatar

Смотрите также