Альтернативные кремнию материалы для производства полупроводников

Кризис производства кремния показал, как сильно отрасль зависит от полупроводников. Нехватка материала, вызванная сокращением производства в Китае, в конце 2021 года привела к росту цен на него на 300% менее чем за два месяца. Поэтому во всем мире стали активнее искать альтернативу кремнию. «Хайтек» рассказывает, что это могут быть за альтернативы.

Германий. Мы живем в «кремниевую эпоху», поэтому может показаться, что микроэлектроника началась с кремния. Но первым все же был германий. Он использовался во многих ранних устройствах: от диодов для обнаружения радаров до первых транзисторов. И только в начале 1970-х его вытеснил кремний. Преимущества германия — носители заряда в этом материале более подвижны. Так, 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 в маломощном и прецизионном оборудовании.

Арсенид галлия является вторым наиболее распространенным полупроводником, используемым сегодня. В отличие от кремния и германия, он представляет собой не элемент, а соединение трехвалентного галлия с мышьяком, имеющим пять валентных электронов. Устройства на основе арсенида галлия быстро реагируют на электрические сигналы, также этот материал показал эффективность при высоких температурах и хорошую устойчивость к радиационному излучению. Арсенид галлия применяется 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. Но это хрупкий материал с меньшей подвижностью «дырок», чем у кремния, что делает невозможным создание быстродействующих и энергосберегающих электросхем. У арсенида галлия также низкая теплопроводность — это увеличивает риск перегрева устройств.

Алмаз. Ширина запрещенной зоны алмаза превышает 3 эВ, поэтому алмаз по определению диэлектрик. Но при добавлении примесей драгоценный камень становится полупроводником. Теоретически алмазные полупроводниковые устройства обладают превосходными физическими свойствами, включая высокую теплопроводность, напряженность поля пробоя и подвижность носителей. Это позволит существенно снизить потери, быстро рассеивать тепло, увеличить срок службы устройств. А также работать с выходной мощностью и энергоэффективностью в 50 000 раз выше, чем у кремниевых устройств — и в 1200 раз с более высокой частотой. Но для промышленного применения в электронных полупроводниковых устройствах необходимы высококачественные алмазные пластины большого размера. До сих не решены проблемы, связанные с легированием и обработкой материала. Кроме того, это чрезвычайно дорого.

Графен — двумерная аллотропная модификация углерода. 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. В микроэлектронике графен можно использовать в сверхчувствительных микропроцессорах, элементах квантовых компьютеров и датчиках с экстремальными параметрами.

Арсенид бора. В июле 2022 года исследователи из Массачусетского технологического института заявили, что нашли "лучший из известных полупроводников" — кубический арсенид бора. Это соединение из мышьяка и бора, теплопроводность которого в десять раз выше, чем у кремния. Хотя и считается, что этот материал потенциально способен заменить кремний, но, как и с графеном, до этого еще очень далеко. Для начала хотя бы нужно разработать не слишком затратные способы качественного производства этого материала.