Промышленный дизайн // Дмитрий Муратов

Полупроводниковые материалы для вычислительной техники будущего: что будет после кремния и почему

Facebook
Twitter
Google+
Pinterest
Vkontakte
Odnoklassniki
204 0
В чем особенности создания полупроводниковых устройств в нанометровом масштабе, что такое графен и другие двумерные материалы? В чем они лучше кремния? Что мешает сделать кремниевый транзистор менее 5 нм и почему это вообще важно? 

Меня зовут Дмитрий Муратов, я занимаюсь исследованием новых типов материалов для наноэлектроники и тонкопленочных устройств на кафедре функциональных наносистем и высокотемпературных материалов Национального исследовательского технологического университета МИСиС.

Периодически в СМИ появляются новости о том, что найдено новое соединение, которое может полностью изменить сферу современной электроники. Однако до сих пор большинство устройств работают на основе кремния. В этой статье речь пойдет о том, почему кремний продолжают использовать для создания микросхем и процессоров, в связи с чем в последние годы ему ищут замену и какие компании сейчас лидируют в индустрии полупроводников. Давайте начнем.

Как кремний стал главным материалом в микроэлектронике?

Сегодня на основе кремния (Si) производят интегральные микросхемы для большинства современных электронных приборов. На бытовом уровне это смартфоны и планшеты, а на более профессиональном — рабочие станции, сервера и суперкомпьютеры. На мой взгляд, востребованность кремния в электронике связана с тремя основными причинами:

  1. Стоимость сырья. Кремний получают из кварцевого песка. Кварц — один из самых распространенных минералов в земной коре. Другие полупроводники гораздо дороже добывать и очищать.
  2. Удобство. Из кремния и металлических контактов можно собирать МОП-структуры — металл — оксид( SiO2) — полупроводник (Si) — непосредственно на одном кристалле, например, для полупроводниковых транзисторов.
  3. Температура. Кремний стабильнее некоторых других полупроводников. И работает в диапазоне от комнатной температуры до 150 °C.

Однако у этого элемента есть два главных недостатка. Во-первых, это ограничение по частоте — выше 5 ГГц процессоры сейчас не работают, так как кремний не может функционировать на более высоких частотах. И, во-вторых, 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 возникает потребность найти замену кремнию.

Какие существуют альтернативы?

Альтернатив множество, но все они 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.

На мой взгляд, наибольший 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. Еще одна наиболее интересная и теоретически проработанная технология — использование нитрида галлия, на данный момент он применяется в полупроводниковых лазерах.

Также 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 материалом. Двумерными называются соединения, которые состоят из одного слоя кристаллической решетки атомов. 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 запрещенной зоны, то есть состояния, когда он не проводит ток вообще. Эту проблему можно решить разными способами, но это сложно и дорого. Мои коллеги из США, например, делают графеновые наноленты, у которых есть свойства полупроводников.

Несмотря на это компании ведут разработки с графеном. Например, Huawei проводила исследования в области терморегуляции смартфонов, Samsung планирует выпустить смартфон на графеновой батарее. Кроме того, недавно канадская компания ORA Graphene Audio представила первый потребительский продукт из графена — наушники.

Какие компании сейчас являются лидерами в индустрии полупроводников?

Массовая индустрия полупроводников — это производство чипов памяти и процессоров для мобильных устройств и вычислительных центров. Для этих целей продолжают использовать кремний. 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 более отсталые в этом плане. И сейчас, похоже, самое высокотехнологичное оборудование есть только у TSMC, больше никто не может делать процессы с настолько тонкой структурой.

Что еще интересно, ключевой компонент в оборудовании всех этих заводов — установки для ультрафиолетовой литографии — производит вообще практически одна компания в мире — голландская ASML.

В России, насколько мне известно, 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».

С остальными разработками всё довольно грустно, так как в нашей стране на них просто нет спроса, а отставание в технологическом плане от мировых лидеров, скорее всего, сильно снижает и общемировой спрос на нашу продукцию.

Что касается фундаментальных исследований полупроводников, то они идут. Есть научные фонды и специальные программы. Но даже если мы создадим какие-то устройства на базе новых материалов и всё проверим, их можно будет только положить в стол или продать на Запад, потому что у нас, к сожалению, это вряд ли кого-то заинтересует.

Что еще почитать о новых материалах в микроэлектронике?

  • Нобелевскую лекцию Андрея Гейма.
  • Статью о перспективах двумерных халькогенидов переходных металлов.
  • Подборку материалов о двумерных соединениях.

    ПОДПИШИСЬ НА НАШУ ТЕХНО-РАССЫЛКУ
    ПОДПИШИСЬ
    НА НАШУ ТЕХНО-РАССЫЛКУ