Индустрия микроэлектроники — один из технологических столпов современной цивилизации. Десятилетия ее развития связаны с беспрепятственным доступом к кремнию (Si). Сегодня на базе кремния производят интегральные микросхемы для большинства современных электронных приборов. На бытовом уровне это смартфоны и планшеты, а на более профессиональном — рабочие станции, серверы и суперкомпьютеры.
Кремний vs графен: что лучше для полупроводника будущего
Изображение создано с помощью нейросети
Кремний — второй после кислорода по распространенности химический элемент в земной коре. До недавнего времени казалось, что полупроводниковой отрасли его дефицит не грозит ни при каких обстоятельствах. Но в конце 2021 года кремниевый мир перевернулся: пандемия и сокращение производства в Китае привели к трехкратному росту цен на кристаллы менее чем за два месяца. Эксперты снова стали говорить о скорейшем переходе индустрии на альтернативные материалы, такие как графен. Возможно ли это в ближайшей перспективе, в чем преимущества новых подложек и какие потребности сегодня у самих фабрик, рассказывает Дмитрий Муратов, сотрудник кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов Национального исследовательского технологического университета МИСиС.
Востребованность кремния в электронике связана с тремя основными причинами. Во-первых, это его стоимость. Кремний получают из кварцевого песка, в изобилии содержащегося в земной коре. Другие полупроводники гораздо дороже добывать и очищать. По удобству применения в производстве микроэлектроники кремний тоже может дать фору многим своим соседям из таблицы Менделеева. Так, из кремния и металлических контактов можно собирать МОП-структуры (металл — оксид (SiO2) — полупроводник (Si)) непосредственно на одном кристалле, например, для полупроводниковых транзисторов. Ну и, наконец, третий немаловажный фактор — температура. Кремний стабильнее некоторых других полупроводников. И работает в диапазоне от комнатной температуры до 150 °C.
Однако у этого элемента есть и два существенных недостатка. Прежде всего, это ограничение по частоте — выше 5 ГГц процессоры сейчас не работают. Также существует ограничение с оксидом кремния. Это как раз тот слой, который удобно делать для полупроводниковых транзисторов, но, оказывается, в структурах менее 5−10 нм он плохо работает, и его нужно чем-то заменять.
Эти недостатки не позволяют существенно увеличить быстродействие и снизить тепловыделение современных вычислительных устройств, поэтому развитие в области центральных и видеопроцессоров пошло по пути многоядерности.
Применение многоядерной архитектуры также приводит к росту производительности, но накладывает ограничение на разработчиков, которым приходится оптимизировать программы для параллельных вычислений, что не всегда возможно. В связи с этим возникла потребность найти замену кремнию. Особенно остро проблема встала с приходом пандемии, вызвавшей остановку многих предприятий по переработке кварцевого песка. Китай, задающий темп макроэкономическим процессам, и здесь подлил масла в огонь: фабрикам в провинции Юньнань было предписано сократить производство на 90 % и работать в таком режиме почти полгода. В итоге цена за тонну металлического кремния выросла с умеренных $ 2500 до немыслимых $ 10 439,37.
В поисках идеала
Разумеется, инженеры и до кризисного роста цен интересовались альтернативами кремнию, и обнаружили их немало, но все кандидаты оказались существенно дороже в производстве, и главное — возможный ресурс по сырью в большинстве случаев ограничен.
Среди новых материалов можно выделить карбид кремния (SiC), арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN) и другие менее разработанные, но не менее интересные соединения. В том числе халькогениды переходных металлов и производные графена, которые тоже обладают полупроводниковыми свойствами, то есть не проводят ток так же хорошо, как металлы, но и не являются полностью изоляторами.
Пожалуй, наибольший на сегодняшний день потенциал по замене кремния имеет смешанная технология с применением материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, таких как оксид гафния, для создания диэлектрического слоя вместо оксида кремния в МОП-структуре. Ещё одна наиболее интересная и теоретически проработанная технология — использование нитрида галлия, на данный момент он применяется в полупроводниковых лазерах.
Потенциал есть и у карбида кремния. Например, в 2015 году компания Toyota объявила о результатах испытаний гибридных автомобилей, оснащенных блоками питания, в которых стандартный кремний заменен на карбид кремния. Пробег таких автомобилей на том же количестве топлива вырос на 5%. Это стало возможно за счет повышения эффективности силовых полупроводников и уменьшения сопротивления проходящего тока.
Может ли графен заменить кремний
На данный момент графен — невероятно тонкий лист углерода толщиной в один атом — является самым изученным двумерным, то есть состоящим из одного слоя атомов, материалом. Первые работы, показывающие уникальные свойства графена, были сделаны с помощью куска графита и скотча учеными русского происхождения Андреем Геймом и Константином Новосёловым. В 2010 году их наградили за это Нобелевской премией.
Графен — перспективный материал, однако в сфере полупроводников его проблема в том, что у него нет так называемой запрещённой зоны, то есть состояния, когда он не проводит ток вообще. Эту проблему можно решить разными способами, но это сложно и дорого. Несмотря на это, компании из разных стран ведут разработки с графеном. Например, инженеры из США делают графеновые наноленты, у которых есть свойства полупроводников. Huawei провела исследования в области терморегуляции смартфонов, а Samsung планирует в скором времени выпустить первый смартфон на графеновой батарее. Кроме того, недавно канадская компания ORA Graphene Audio представила первый потребительский продукт из графена — наушники.
И всё же массовая индустрия полупроводников, занимающаяся изготовлением чипов памяти и процессоров для мобильных устройств и вычислительных центров, пока продолжает использовать кремний, даже несмотря на его текущую дороговизну. Среди мировых лидеров в этой отрасли: американские Intel, AMD, Qualcomm и Apple, британская ARM, которая разрабатывает процессоры для смартфонов, уже упомянутый южнокорейский Samsung и китайский Huawei. Но заводов по производству устройств на передовых технических процессах очень мало, это мощности тайваньской TSMC, заводы Intel и Samsung. Все остальные в этом плане отстают. И сейчас, похоже, самое высокотехнологичное оборудование есть только у TSMC, больше никто не может делать процессы с настолько тонкой структурой.
Полупроводники будущего: в поисках альтернативы кремнию
Смартфоны, компьютеры и прочие гаджеты окружают нас повсюду. В основе любого такого устройства лежат полупроводниковые приборы — кремниевые транзисторы. Но почему был выбран именно кремний и правда ли, что ему пора искать замену? Как решать проблему быстродействия вычислительных…
В России о переходе с кремния на иные материалы речи тоже пока не идет, а все разработки по полупроводниковой тематике сводятся к проектированию устройств на архитектурах «Эльбрус» (UltraSPARC) и «Байкал» (ARM) для оборонной промышленности, либо к производству печатных плат для различных изделий. Кроме того, в стране есть производство высокочистого кремния и завод по изготовлению кремниевых солнечных панелей.
Предприятия типа «Ангстрем» имеют немного устаревшее оборудование AMD, но вполне годятся для производства чипов общего назначения с низкими запросами на быстродействие. Есть производство отдельных полупроводниковых устройств, в том числе транзисторов на заводе «Пульсар». Для этих компаний кремний был и еще долго останется одним из несокрушимых символов индустрии — магической крупицей в основании большой горы под названием микроэлектроника.
Будь первым, кто оставит комментарий