Драгоценный кристалл

IT-технологии — одна из наиболее активно развивающихся отраслей. Облачные вычисления, нейросети, «биг дата» (большие данные), VR/AR, 5G, «Интернет вещей», «умный город», беспилотные и электрические автомобили — все это лишь малый список направлений, стремительно набравших обороты за последние несколько лет. Их развитие требует столь же взрывного роста производства «железа», на котором функционирует программное обеспечение.
И здесь нельзя не вспомнить производство полупроводников — основы основ современных микросхем.

О полупроводниках — по сути

Как правило, полупроводник — это твердое кристаллическое вещество, занимающее промежуточное место между проводниками (материалами, способными проводить электрический ток) и диэлектриками, которые ток не проводят. Отличительной особенностью полупроводников является сильная зависимость проводимости материала от различных факторов: концентрации и типа легирующих примесей, излучения и температуры. В зависимости от температуры эффективность проводимости меняется: с ростом температуры она повышается, с уменьшением — падает (теоретически — вблизи температуры абсолютного нуля нелегированные полупроводники проявляют свойства диэлектриков). Самое важное, что их состоянием можно управлять искусственно, а значит, управлять и течением тока в электрической цепи.

Один из базовых параметров полупроводников — подвижность носителей заряда. Она выражается коэффициентом, показывающим взаимосвязь между средней скоростью заряженных частиц и внешним электрическим полем. К примеру, у кремния, долгие годы остававшегося главным материалом в индустрии, подвижность отрицательно заряженных носителей заряда втрое выше, чем положительно заряженных частиц.

Вторая важная характеристика — ширина запрещенной зоны. Запрещенная зона — это расстояние, которое нужно преодолеть электрону для перехода из валентной (пассивной) зоны в зону проводимости (когда проводится электрический ток). Для этого следует приложить определенную энергию, причем чем шире зона, тем больше энергии требуется, чтобы изменить состояние материала. В то же время чем четче разграничены электрическое и диэлектрическое состояния (то есть шире запрещенная зона), тем ниже вероятность случайного срабатывания и неправильной работы. Например, у металлов, являющихся проводниками, запрещенная зона равна нулю, а у диэлектриков — больше 4–5 эВ.

И еще существенный момент — теплопроводность материала. Она показывает, насколько просто будет «остудить» материал, который непременно нагревается при изменении состояния и работе. Чем выше теплопроводность, тем проще отводить тепло от компонентов, и тем дольше они будут функционировать, и тем больше мощности можно из них выжать.

Германий (Ge) — первый промышленный полупроводник

Сейчас электронные компоненты производятся преимущественно из кремния или карбида кремния (силовая электроника, СВЧ-применения), но первым полупроводником, использовавшимся в промышленных масштабах, был не он, а германий. Его начали применять при создании первых транзисторов еще в 1960-х. Однако уже спустя десятилетие его вытеснил кремний — материал гораздо более доступный и «удобный». К примеру, у него шире запрещенная зона и выше теплопроводность, следовательно, электронные компоненты работают стабильнее.

Но это не значит, что от германия отказались полностью. У него есть свои преимущества — к примеру, при комнатной температуре заряженные частицы в нем движутся в 3–4 раза быстрее. Для современной микроэлектроники он малопригоден, но все еще находит применение в такой электронике, как аудиоаппаратура.

Кремний (Si) — главный полупроводник современности

У кремния внушительный список преимуществ. Во-первых, он обеспечивает хорошие диэлектрические свойства за счет выделения оксида кремния, то есть позволяет четко контролировать состояние материала. Во-вторых, улучшить изначально невысокую скорость движения заряженных частиц (и быстродействия компонентов) можно с помощью внесения примесей (легирования). В-третьих, кремниевые полупроводники одинаково хорошо работают при различных уровнях напряжения (от единиц до сотен вольт) и мощности. И наконец, в-четвертых, он один из самых доступных полупроводников — по распространенности это второй после углерода химический элемент на Земле, поэтому «кремниевая эпоха», начавшаяся еще в 1970-х, все еще продолжается.

Кремниевые полупроводники используются в интегральных микросхемах, биполярных и полевых транзисторах, фотодиодах и прочих электронных компонентах, из которых состоит вся современная электроника.

Арсенид галлия — распространенная альтернатива

Кремний — главный, но не единственный полупроводник современной электроники. Вместе с ним активно эксплуатируется арсенид галлия (GaAs). В отличие от кремния и германия — это не химический элемент, а искусственно созданное соединение, состоящее из галлия и мышьяка. У него широкая запрещенная зона и высокая подвижность заряженных частиц, что позволяет четко изменять состояние материала.

В то же время у арсенида галлия есть и очевидные недостатки. Самые существенные среди них — невысокое быстродействие, необходимость прикладывать большое количество энергии для преодоления запрещенной зоны и плохая теплопроводность, из-за которой возрастает риск перегрева электроники. Несмотря на перечисленное, материал используется достаточно активно, а технологии его эксплуатации хорошо отлажены. Благодаря этому микросхемы на основе арсенида галлия находят применение в смартфонах, приборах спутниковой связи и микроволновых приборах.

Нитрид галлия — потенциальный преемник кремния

В 2020 году из-за пандемии COVID-19 в мире возник дефицит полупроводников — сказались простои в производстве на ведущих фабриках в Азии. Все это привело к тому, что в 2021-м всего за пару месяцев стоимость кремния выросла втрое, а мировые производители электроники столкнулись с внезапной проблемой: из-за нехватки чипа ценой в пару долларов могло остановиться производство в сотни раз более дорогого устройства.

Такая ситуация заставила исследователей искать доступные альтернативы, не уступающие по характеристикам привычному кремнию. И одной из них стал нитрид галлия (GaN). Первые опыты с соединением проводились еще в 1990-х, а к 2006–2007 годам свет увидели первые коммерческие компоненты. Например, корпусные транзисторы с отличными показателями — частотой до 4 ГГц и выходной мощностью до 180 Вт.

Мировой кризис производства кремния послужил не только вынужденным толчком к более активному использованию нового материала, но и показал, что полупроводники из нового соединения не просто не уступают, а во многом и превосходят привычный кремний по базовым характеристикам. В частности, у них аналогичная теплопроводность и примерно на треть более высокая подвижность электронов. Принципиальное отличие от кремния — в три раза более широкая запрещенная зона, составляющая у GaN 3,39 эВ при комнатной температуре. С одной стороны, это создает неудобство, поскольку для того, чтобы материал начал проводить ток, нужно приложить гораздо больше энергии. С другой — можно говорить о более высокой стабильности при работе с высокими температурами и напряжениями. Тесты показали, что полупроводники из нитрида галлия могут стабильно работать при температуре +200 °С, не требуя дополнительного охлаждения.

И самый весомый плюс: при сравнимых показателях мощности компоненты из GaN имеют гораздо меньшие габариты, что крайне важно с учетом дальнейшего уменьшения техпроцесса производства микропроцессоров. Таким образом, нитрид галлия стал не только вовремя подвернувшейся альтернативой дефицитному кремнию, но и потенциально выгодным направлением для развития всей отрасли полупроводников. И уже сейчас новая технология все более активно используется в системах связи, оборонных комплексах и потребительской электронике. Один из последних примеров — новые компактные блоки питания для смартфонов и ноутбуков. И при этом настоящий рост развития еще даже не начался: запуск крупнейших заводов по выпуску компонентов на базе GaN планируется только в 2024 году.

Галлий

Полупроводники будущего

Рассуждая о перспективах технологии производства полупроводников, следует отметить, что GaN не единственная надежда индустрии. В долгосрочной перспективе определенный интерес представляют и другие материалы:

• Алмаз. Материал считается диэлектриком, так как имеет широкую запрещенную зону (3 эВ), но при добавлении дополнительных компонентов его можно использовать в качестве полупроводника с выдающимися характеристиками. Опыты показывают, что полупроводники на алмазной основе могут обладать в 50 тысяч раз лучшей энергоэффективностью и работать с частотой в 1200 раз выше. Ключевая проблема на данный момент — сложности в работе с материалом и создании крупных пластин, служащих основой полупроводника.

• Графен. Ключевое преимущество графена — возможность создания гибких компонентов, которые в теории можно использовать даже в биомедицине и биоинженерии. Это чрезвычайно перспективный материал, но, по предварительным оценкам, для его выхода на полноценный коммерческий уровень потребуется не менее 25 лет.

• Арсенид бора. В 2022 году учеными из MIT (Массачусетский Технологический Институт) назван не просто самым перспективным, но и вообще лучшим материалом для полупроводников. Его теплопроводимость в 10 раз превышает показатели кремния, а кроме того, он отличается высокой скоростью движения заряженных частиц. Однако технологии производства, которая была бы достаточно дешевой и эффективной для вывода полупроводников из арсенида бора на коммерческий уровень, пока не существует.