Не кремнием единым: из каких материалов сегодня изготавливают полупроводники

Публикация: 06.08.2022
Источник Комментарии

Close-up of computer chip on a part of electronic printed circuit board with sunlight


Не кремнием единым: из каких материалов сегодня изготавливают полупроводники

От «простых» домашних приборов и компьютеров до солнечных элементов, полевых транзисторов и беспилотных автомобильных цепей — вся техника требует для работы полупроводниковые материалы. Современный мир буквально обязан им своим существованием.

Очевидный лидер отрасли сейчас — кремний. Но он подходит не для всех приборов, кроме того, физические свойства полупроводника ограничивают возможности для дальнейшей миниатюризации и повышения мощности чипов и создание гибких устройств. К счастью, есть и другие альтернативные материалы. 

Рассказываем, как работают полупроводники и какие существуют перспективные альтернативы кремнию для создания микроэлектроники. Подробнее про рынок в целом можно прочитать в июльском выпуске дайджеста по робототехнике «Микроэлектроника. Чем меньше, тем лучше», подготовленном Университетом Иннополис.

Что такое полупроводник

Полупроводник — материал, который по удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Как правило, это кристаллическое твердое вещество. При определенных условиях оно проводит электричество, что делает его идеальным для управления потоком тока.

Полупроводники в нормальном состоянии проводят небольшое количество тока или не вообще блокируют его. Но с ростом температуры или под действием света они начинают лучше пропускать электрические заряды. Также проводимость полупроводников меняется при введении примеси — этот процесс называется легированием.

Важное отличие полупроводника от проводника заключается в том, что ток в нем переносится не только электронами, но и оставленными ими вакансиями — дырками. Дырки, оставшиеся в валентной зоне, могут быть заняты электронами из более низких энергетических состояний и тем самым вносить свой вклад в протекание тока. 

Одна из ключевых характеристик полупроводника — это подвижность носителей заряда (электронов и дырок). Это коэффициент, который показывает зависимость между средней скоростью частиц и приложенным внешним электрическим полем. Подвижность электронов и дырок может быть разной, например, у кремния при комнатной температуре отрицательно заряженные частицы движутся почти в три раза быстрее положительных.

Кроме того, полупроводники различаются по ширине запрещенной зоны. Это минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. У металлов и других полупроводников она равна 0, а при достижении уровня в 4 эВ и больше материал становится диэлектриком.

Еще одна важная характеристика полупроводников — это теплопроводность. Она показывает насколько быстро и просто можно будет отводить от компонентов тепло, чтобы защитить устройство от перегрева.

Кремний

Кремний — второй после углерода по распространенности химический элемент на Земле. Его основным преимуществом является то, что его легко добывать, с кремниевыми кристаллами относительно просто работать, и он обеспечивает хорошие общие электрические и механические свойства. Даже несмотря на относительно низкую подвижность электронов и дырок, пока он остается оптимальным материалом для микроэлектронного производства.

Еще одним его преимуществом является то, что при использовании в интегральных схемах он образует высококачественный оксид кремния, который выступает в качестве изоляционных слоев между различными активными элементами.

Для увеличения плотности элементов и быстродействия интегральных схем используются комбинации элементов монокристаллического и поликристаллического кремния. А для увеличения проводимости поликристаллического кремния его легируют.

Полупроводники из кремния широко применяются для создания интегральных микросхем, биполярных и полевых транзисторов, приборов с зарядовой связью, быстродействующих фотодиодов и многих других устройств. А продукты на основе кремния, такие как MOSFET-или IGBT-транзисторы с суперпереходом, можно использовать в широком диапазоне напряжений (от единиц до нескольких сот вольт) и в различных классах мощности.

Факторы, влияющие на сложность производства. Изображение: Университет Иннополис

Германий

Мы живем в «кремниевую» эпоху, и может показаться, что микроэлектроника началась с этого материала, но первым был германий. Он использовался во многих ранних устройствах: от диодов для обнаружения радаров до первых транзисторов. Именно он до конца 1960-х годов был основным полупроводником, применяемым в электронных приборах, и только в начале 70-х его вытеснил кремний. 

Новый «чемпион» гораздо более распространен, его производство дешевле и у него более широкая запрещенная зона и лучше теплопроводность. Но свое преимущество есть и у германия: носители заряда в этом материале гораздо более подвижны. 

Например, при температуре 300 K (около 27°С) электроны в «первом» полупроводнике двигаются почти в три раза быстрее, чем у кремния, а дырки — почти в четыре раза.

Хотя германий и не подходит для современной микроэлектроники, благодаря этим свойствам он по-прежнему используется в некоторых радиочастотных приборах. Например, его применяют для создания СВЧ-устройств, аудиоаппаратуры, а также маломощном и прецизионном оборудовании.

Подвижность носителей заряда в различных полупроводниках. Изображение: Университет Иннополис

Арсенид галлия

Арсенид галлия является вторым наиболее распространенным полупроводником, используемым сегодня. В отличие от кремния и германия, арсенид галлия представляет собой соединение, а не элемент, и получается путем соединения трехвалентного галлия с мышьяком, имеющим пять валентных электронов.

Большая ширина запрещенной зоны и высокая подвижность электронов заставляют устройства на основе арсенида галлия быстро реагировать на электрические сигналы, что делает это соединение подходящим для усиления высокочастотных сигналов. Кроме того, этот материал показал свою эффективность при высоких температурах и хорошую устойчивость к радиационному излучению.

Арсенид галлия давно применяется в микроэлектронике, поэтому производство устройств на его основе отлажено. Благодаря особым свойствам, материал используется в основном для создания сверхвысокочастотных приборов микроэлектроники: цифровых и аналоговых интегральных схем, дискретных полевых транзисторов и диодов Ганна, которые работают без p-n-перехода за счет собственных средств материала. Кроме того, микросхемы на основе арсенида галлия применяются при изготовлении мобильных телефонов, микроволновых приборов, устройств спутниковой связи и некоторых радарных систем.

Однако это хрупкий материал с меньшей подвижностью дырок, чем у кремния, что делает невозможными создание таких устройств, как, например, КМОП-транзисторов, быстродействующих и энергосберегающих электронных схем. Его также относительно сложно изготовить, что увеличивает стоимость устройств из арсенида галлия. И у него достаточно низкая теплопроводность, что увеличивает риск перегрева устройств.

Материалы будущего

— Алмазы

Ширина запрещенной зоны алмаза превышает 3 эВ, поэтому по определению он диэлектрик. Однако при добавлении примесей драгоценный камень становится полупроводником. 

Теоретически алмазные полупроводниковые устройства обладают превосходными физическими свойствами, включая высокие теплопроводность, напряженность поля пробоя и подвижность носителей. Это позволит существенно снизить потери, быстро рассеивать тепло и увеличить срок службы устройств. Кроме того, он может работать с выходной мощностью и энергоэффективностью в 50 тыс. раз выше, чем у кремниевых устройств, и в 1 200 раз с более высокой частотой.

Однако для промышленного применения в электронных полупроводниковых устройствах необходимы высококачественные алмазные пластины большого размера. Хотя попытки создания алмазных приборов проводятся в течение многих лет. До сих не решены проблемы, связанные с легированием и обработкой материала.

 Теплопроводность различных полупроводников. Изображение: Университет Иннополис

— Графен

Графен — двумерная аллотропная модификация углерода. По прогнозу компании McKinsey, у графена есть потенциал превзойти кремний в качестве универсального полупроводникового материала, но до широкой коммерциализации может пройти до 25 лет.

Ключевая особенность этого материала — гибкость, поэтому из него можно производить различные сложные приборы. Этот материал считается многообещающим с точки зрения его дальнейшего использования, и по всему миру существуют целые институты, занимающиеся изучением и разработками в области графена.

Он может пригодиться в самых разных отраслях: от современных энергетических сетей и альтернативной энергетики до биомедицины. В микроэлектронике графен можно использовать в сверхчувствительных микропроцессорах, элементах квантовых компьютеров и датчиках с экстремальными параметрами.

— Арсенид бора

Совсем недавно, в июле 2022 года, исследователи из MIT заявили, что они нашли лучший из известных полупроводников. Им оказался кубический арсенид бора. Этот материал представляет собой соединение из мышьяка и бора. 

Его теплопроводность в 10 раз больше, чем у кремния. При этом в отличие от последнего и арсенида галия полупроводник на основе бора демонстрирует высокую подвижность не только для электронов, но и для дырок. 

Хотя ученые и говорят о том, что этот материал потенциально способен заменить кремний, но, как и с графеном, до этого еще очень далеко. Например, сначала нужно разработать дешевые способы качественного производства этого материала.

Несмотря на высокую популярность и эффективность кремниевых полупроводников, нужны аналоги. К этому производителей подталкивают сразу два фактора. Во-первых, технология почти достигла предела, за которым будет невозможно создавать все более миниатюрные и мощные устройства. А во-вторых, постоянный рост спроса на кремний приводит к его удорожанию. 

Кризис производства, возникший во время пандемии коронавируса, показал, как опасно опираться на единственный источник. Поэтому компании и ученые по всему миру работают над созданием альтернативы. Тем не менее, можно предположить, что благодаря дешевизне, доступности и отлаженности производства кремниевых приборов еще какое-то время этот материал будет занимать лидирующую позицию в микроэлектронике.

Читать далее:

«Это научная фантастика»: ученые создают принципиально новый тип квантовых компьютеров

Что такое супергены и как они делают животных такими странными

МКС «стреляет» лазерными лучами по Земле: зачем это нужно и как работает


Понравилась статья? Поделись с друзьями!

LongReef Team Автор статьи: LongReef Team
57
Нет Комментариев.
Но, вы можете быть первыми кто его оставит

Авторизуйся что бы оставить свой коммент...

Популярные Статьи

Огромный телескоп Магеллана стал на шаг ближе к тому, чтобы стать самым большим из когда-либо...
11.08.2022
26 июля «Роскосмос» заявил, что Россия покинет Международную космическую станцию после 2024 года и...
10.08.2022
Землеройки переносят новый вирус в Китае. «Хайтек» рассказывает о симптомах и возможной угрозе.
10.08.2022
Социологи из Чикагского университета разработали алгоритм, который может прогнозировать...
10.08.2022
Идею, которая раньше была только гипотезой и частью научной фантастики, теперь можно подтвердить....
09.08.2022
6 августа 2012 года марсоход Curiosity успешно приземлился в кратере Гейла на Марсе. За эти годы он...
08.08.2022
Ученые разработали принципиально новую стратегию создания квантовых компьютеров. «Хайтек»...
05.08.2022
Группа искусственного интеллекта DeepMind раскрыла структуру почти каждого белка, известного науке....
05.08.2022
Автономный миниатюрный робот будет оперировать астронавтов и землян в удаленных регионах. «Хайтек»...
03.08.2022
Изучение и освоение Арктики, развитие Северного морского пути — один из приоритетов России....
03.08.2022
Сетевая система на борту МКС направляет лазерный луч на Землю, чтобы бороться с вырубкой лесов. Это...
02.08.2022
В ходе нового исследования ученые выяснили, что супергены встречаются гораздо чаще, чем считалось...
01.08.2022
Ученые исследовали распределение темной материи на расстоянии в 12 млрд световых лет, и это не...
01.08.2022
В эти выходные, 30 по 31 июля будет сразу три метеорных потока одновременно. Этот небесный...
29.07.2022
Космические агентства отслеживают траекторию полета китайской ракеты, которая, по прогнозам, должна...
29.07.2022
Исследователи рассказали о биолюминесцентных бактериях, которые образуют редкое световое явление:...
29.07.2022
Новаторская швейцарская школа-интернат в сотрудничестве с архитектурной компанией SAGA Space...
28.07.2022
Россия объявила, что покидает Международную космическую станцию (МКС) в 2024 году и собирается...
27.07.2022
Во всем мире уже несколько лет говорят об ответственном отношении к планете и снижении углеродного...
27.07.2022
Исследователи рассказали о математической тревоге — это изнурительный процесс волнения, когда...
27.07.2022
Мельчайшие остатки, сохранившиеся среди сухих чайных листьев, могут помочь ученым отслеживать...
26.07.2022
Считается, что если человек будет усердно работать, то он добьется успеха. Но существует и то, над...
26.07.2022
Сверхъестественно похожий на человека робот, которого запрограммировали на социальное...
26.07.2022
В июле 2022 года миссия Landsat празднует 50-летие. «Хайтек» рассказывает, как и зачем работают...
25.07.2022
Женщина, отдыхающая в одном из отелей, попыталась подать в суд после того, как обнаружила...
25.07.2022
Врачи-педиатры и вирусологи составили обзор педиатрических исследований. В нем они обобщили выводы...
22.07.2022
Одна из причин, по которой трудно изучать взаимодействие между черными дырами и звездами,...
22.07.2022
Юпитер гораздо больше Сатурна, но кольца газового гиганта гораздо меньше. Ученые наконец-то поняли...
21.07.2022
В вечной мерзлоте Юкона нашли хорошо сохранившегося шерстистого мамонта возрастом около 30 000 лет....
20.07.2022
Администратор НАСА Билл Нельсон недавно дал интервью немецкой газете Bild. В нем он заявил, что...
19.07.2022
Бартли Гриффит — кардиохирург из Университета Мэриленд в Балтиморе, который за свою карьеру сделал...
19.07.2022
Уже много лет ученые спорят о теории происхождения Земли. Новая работа международной группы ученых...
18.07.2022
НАСА опубликовало новые снимки галактик, которые находятся в тысячах световых лет от нас. Их сделал...
18.07.2022
В пещере Центральной Танзании неизвестные художники сделали рисунки фигурок с необычными головами....
15.07.2022
Канадские палеонтологи раскопали почти 300 окаменелостей, которым около полумиллиарда лет. Среди...
14.07.2022
Владелец Tesla Илон Маск может попасть в сложную ситуацию из-за своей идеи купить Twitter. Сделка...
13.07.2022
В метавселенной проводят концерты, на которых собираются миллионы человек, звезды мирового уровня...
12.07.2022
Ученые провели исследование, чтобы выяснить глобальные последствия ядерной катастрофы, если она...
07.07.2022
Квантовые компьютеры пока остаются сложными лабораторными устройствами. У них огромный потенциал:...
06.07.2022
Обычно GoPro хорошо работают под водой, но почему смартфоны не делают полностью водонепроницаемыми?...
06.07.2022
В течение десятилетий физики искали доказательства существования бозона Хиггса как «последней...
05.07.2022
Ученые в Англии установили новый рекорд по количеству произведенной энергии ядерного синтеза — они...
05.07.2022
Группа астрономов изучила два близлежащих шаровых скопления, 47 Tucanae и Omega Centauri, в поисках...
04.07.2022
Группа исследователей из Массачусетского технологического института придумала радикальный способ...
01.07.2022
Швейцарские Альпы — это странное место для поиска существ, которые когда-то жили в океане. Эта...
01.07.2022
В 2022 году наблюдается особенно много солнечных вспышек. «Хайтек» рассказывает о самых мощных...
30.06.2022
Долгожданная комета C/2017 K2 (PanSTARRS) дошла до Солнечной системы. «Хайтек» рассказывает,...
30.06.2022
Цифровая одежда постепенно превращается в актуальный тренд в России — в этом смысле мы не просто...
30.06.2022
Компания Venus Aerospace недавно представила концепт гиперзвукового самолета, который передвигается...
30.06.2022
В Amazon заявили, что работают над обновлением, которое позволит цифровому помощнику Alexa...
30.06.2022
Окутанные тьмой и тайной, существа из глубин океана выживают в очень тяжелых условиях. «Хайтек»...
30.06.2022
В нашей галактике должно быть около 100 млн черных дыр, большая часть которых должна быть...
30.06.2022
Европейское агентство по охране окружающей среды опубликовало новый отчет. Оказалось, что состояние...
29.06.2022
Сложная биология паразита сыграла свою роль, но эксперты говорят, что медицинскому сообществу не...
28.06.2022
Есть много способов тренировки искусственного интеллекта. Один из них — обучение с подкреплением,...
27.06.2022
Ученые из Китая говорят, что им удалось запустить модель искусственного интеллекта, столь же...
24.06.2022
То селфи, которое вы недавно опубликовали, можно использовать для обучения ИИ. Возможно, это не так...
24.06.2022
Авторы нового исследования смогли управлять тем, как свет проходил сквозь наночастицы. В результате...
23.06.2022
Человечество до сих пор борется с COVID-19. Но также растут риски, связанные с другими вирусами....
22.06.2022
Ученые из Бостонского колледжа заявили о том, что им удалось открыть новую элементарную частицу без...
21.06.2022