Чи не кремнієм єдиним: з яких матеріалів сьогодні виготовляють напівпровідники

Від «простих» домашніх приладів та комп'ютерів до сонячних елементів, польових транзисторів та безпілотних

автомобільних ланцюгів - вся техніка вимагає для роботи напівпровідникові матеріали. Сучасний світ буквально завдячує їм своїм існуванням.

Очевидний лідер галузі зараз – кремній.Але він підходить не для всіх приладів, крім того, фізичні властивості напівпровідника обмежують можливості для подальшої мініатюризації та підвищення потужності чіпів та створення гнучких пристроїв. На щастя, є інші альтернативні матеріали. 

Розповідаємо, як працюють напівпровідники та якіІснують перспективні альтернативи кремнію для створення мікроелектроніки. Докладніше про ринок загалом можна прочитати у липневому випуску дайджесту з робототехніки «Мікроелектроніка. Що менше, то краще», підготовленому Університетом Іннополіс.

Що таке напівпровідник

Напівпровідник - матеріал, який за питомоюпровідності займає проміжне місце між провідниками та діелектриками. Як правило, це кристалічна тверда речовина. За певних умов воно проводить електрику, що робить його ідеальним для керування потоком струму.

Напівпровідники у нормальному стані проводятьневелика кількість струму або взагалі блокують його. Але зі зростанням температури або під дією світла вони починають краще пропускати електричні заряди. Також провідність напівпровідників змінюється під час введення домішки — цей процес називається легуванням.

Важлива відмінність напівпровідника від провідникаполягає в тому, що струм у ньому переноситься не лише електронами, а й залишеними ними вакансіями - дірками. Дірки, що залишилися у валентній зоні, можуть бути зайняті електронами з нижчих енергетичних станів і тим самим робити свій внесок у протікання струму. 

Одна з ключових характеристик напівпровідникаце рухливість носіїв заряду (електронів та дірок). Це коефіцієнт, який показує залежність між середньою швидкістю частинок та доданим зовнішнім електричним полем. Рухливість електронів і дірок може бути різною, наприклад, у кремнію при кімнатній температурі негативно заряджені частинки рухаються майже втричі швидше за позитивні.

Крім того, напівпровідники розрізняються по ширині.забороненої зони. Це мінімальна енергія, необхідна переходу електрона з валентної зони в зону провідності. У металів та інших напівпровідників вона дорівнює 0, а при досягненні рівня 4 еВ і більше матеріал стає діелектриком.

Ще одна важлива характеристика напівпровідників це теплопровідність. Вона показує, наскільки швидко і просто можна буде відводити від компонентів тепло, щоб захистити пристрій від перегріву.

Кремній

Кремній - другий після вуглецю попоширеність хімічний елемент на Землі. Його основною перевагою є те, що його легко видобувати, з кремнієвими кристалами відносно просто працювати, і він забезпечує хороші загальні електричні та механічні властивості. Навіть незважаючи на відносно низьку рухливість електронів і дірок, він залишається оптимальним матеріалом для мікроелектронного виробництва.

Ще однією його перевагою є те, що привикористання в інтегральних схемах він утворює високоякісний оксид кремнію, який виступає як ізоляційні шари між різними активними елементами.

Для збільшення щільності елементів ташвидкодії інтегральних схем використовуються комбінації елементів монокристалічного та полікристалічного кремнію. А для збільшення провідності полікристалічного кремнію його легують.

Напівпровідники з кремнію широко застосовуютьсястворення інтегральних мікросхем, біполярних та польових транзисторів, приладів із зарядовим зв'язком, швидкодіючих фотодіодів та багатьох інших пристроїв. А продукти на основі кремнію, такі як MOSFET або IGBT-транзистори з суперпереходом, можна використовувати в широкому діапазоні напруг (від одиниць до декількох сотень вольт) і в різних класах потужності.

Чинники, що впливають на складність виробництва. Зображення: Університет Іннополіс

Німеччина

Ми живемо в «кремнієву» епоху, і можеЗдається, що мікроелектроніка почалася з цього матеріалу, але першим був германій. Він використовувався у багатьох ранніх пристроях: від діодів виявлення радарів до перших транзисторів. Саме він до кінця 1960-х років був основним напівпровідником, що застосовується в електронних приладах, і лише на початку 70-х його витіснив кремній.

Новий «чемпіон» набагато поширеніший, йоговиробництво дешевше і в нього ширша заборонена зона і краща теплопровідність. Але свою перевагу є і у германію: носії заряду в цьому матеріалі набагато рухливіші.

Наприклад, при температурі 300 K (близько 27 ° С) електрони в "першому" напівпровіднику рухаються майже втричі швидше, ніж у кремнію, а дірки - майже вчетверо.

Хоча германій і не підходить для сучасноїмікроелектроніки, завдяки цим властивостям він, як і раніше, використовується в деяких радіочастотних приладах. Наприклад, його застосовують для створення НВЧ-пристроїв, аудіоапаратури, а також малопотужному та прецизійному обладнанні.

Рухливість носіїв заряду різних напівпровідниках. Зображення: Університет Іннополіс

Арсенід галію

Арсенід галію є другим найбільшпоширеним напівпровідником, який використовується сьогодні. На відміну від кремнію та германію, арсенід галію являє собою з'єднання, а не елемент, і виходить шляхом з'єднання тривалентного галію з миш'яком, що має п'ять валентних електронів.

Велика ширина забороненої зони та високарухливість електронів змушують пристрої на основі арсеніду галію швидко реагувати на електричні сигнали, що робить це з'єднання придатним для посилення високочастотних сигналів. Крім того, цей матеріал показав свою ефективність при високих температурах та хорошу стійкість до радіаційного випромінювання.

Арсенід галію давно застосовується вмікроелектроніці, тому виробництво пристроїв на його основі налагоджено. Завдяки особливим властивостям матеріал використовується в основному для створення надвисокочастотних приладів мікроелектроніки: цифрових та аналогових інтегральних схем, дискретних польових транзисторів та діодів Ганна, які працюють без p-n-переходу за рахунок власних засобів матеріалу. Крім того, мікросхеми на основі арсеніду галію застосовуються при виготовленні мобільних телефонів, мікрохвильових приладів, пристроїв супутникового зв'язку та деяких радарних систем.

Однак це крихкий матеріал із меншоюрухливістю дірок, ніж у кремнію, що унеможливлює створення таких пристроїв, як, наприклад, КМОП-транзисторів, швидкодіючих та енергозберігаючих електронних схем. Його також відносно складно зробити, що підвищує вартість пристроїв з арсеніду галію. І в нього досить низька теплопровідність, що підвищує ризик перегріву пристроїв.

Матеріали майбутнього

& # 8212; Алмази

Ширина забороненої зони алмазу перевищує 3 ев, тому за визначенням він діелектрик. Однак при додаванні домішок дорогоцінний камінь стає напівпровідником. 

Теоретично алмазні напівпровідниковіпристрої мають чудові фізичні властивості, включаючи високі теплопровідність, напруженість поля пробою і рухливість носіїв. Це дозволить суттєво знизити втрати, швидко розсіювати тепло та збільшити термін служби пристроїв. Крім того, він може працювати з вихідною потужністю та енергоефективністю у 50 тис. разів вище, ніж у кремнієвих пристроїв, та у 1 200 разів з вищою частотою.

Однак для промислового застосування в електроннихнапівпровідникові пристрої необхідні високоякісні алмазні пластини великого розміру. Хоча спроби створення алмазних приладів проводяться багато років. Досі не вирішені проблеми, пов'язані з легуванням та обробкою матеріалу.

Теплопровідність різних напівпровідників. Зображення: Університет Іннополіс

& # 8212; Графен

Графен - двовимірна алотропна модифікаціявуглецю. За прогнозом компанії McKinsey, графен має потенціал перевершити кремній як універсальний напівпровідниковий матеріал, але до широкої комерціалізації може пройти до 25 років.

Ключова особливість цього матеріалу - гнучкість,тому з нього можна виготовляти різні складні прилади. Цей матеріал вважається перспективним з точки зору його подальшого використання, і по всьому світу існують цілі інститути, що займаються вивченням та розробками в галузі графена.

Він може стати в нагоді в різних галузях:від сучасних енергетичних мереж та альтернативної енергетики до біомедицини. У мікроелектроніці графен можна використовувати у надчутливих мікропроцесорах, елементах квантових комп'ютерів та датчиках з екстремальними параметрами.

& # 8212; Арсенід бору

Зовсім недавно, у липні 2022 року, дослідникиз MIT заявили, що вони знайшли найкращий із відомих напівпровідників. Ним виявився кубічний арсенід бору. Цей матеріал є з'єднанням з миш'яку і бору. 

Його теплопровідність у 10 разів більша, ніж укремнію. При цьому на відміну від останнього та арсеніду галію напівпровідник на основі бору демонструє високу рухливість не тільки для електронів, а й для дірок.

Хоча вчені і говорять про те, що цей матеріалпотенційно здатний замінити кремній, але, як і з графеном, ще дуже далеко. Наприклад, спочатку потрібно розробити дешеві способи якісного виробництва цього матеріалу.

Незважаючи на високу популярність та ефективністькремнієвих напівпровідників, потрібні аналоги. До цього виробників підштовхують одразу два фактори. По-перше, технологія майже досягла межі, за якою неможливо створювати все більш мініатюрні та потужні пристрої. А по-друге, постійне зростання попиту на кремній призводить до його подорожчання.

Криза виробництва, що виникла під час пандеміїкоронавірусу показав, як небезпечно спиратися на єдине джерело. Тому компанії та вчені по всьому світу працюють над створенням альтернативи. Тим не менш, можна припустити, що завдяки дешевизні, доступності та налагодженості виробництва кремнієвих приладів ще якийсь час цей матеріал займатиме лідируючу позицію в мікроелектроніці.

Читати далі:

Це наукова фантастика: вчені створюють принципово новий тип квантових комп'ютерів

Що таке супергени і як вони роблять тварин такими дивними

МКС «стріляє» лазерним промінням по Землі: навіщо це потрібно і як працює