Вот уже 60 лет кремний является основным материалом для изготовления полупроводниковых устройств. Удивляться здесь нечему: на сегодняшний день не существует другого материала, обладающего столь подходящим для этих целей комплексным набором свойств. Кремний является одним из самых распространённых в мире минералов. Поскольку в своей естественной форме он содержится в кварцевом песке, в мире он встречается практически повсеместно. Это обуславливает его доступность и, как следствие, дешивизну. В микроэлектронике используется высокочистый кремний, получение которого подразумевает искусственную обработку. Это, конечно, сказывается на его цене, но не настолько, чтобы пошатнуть его лидерские позиции.
Высокая термическая стабильность, простота легирования (добавка примесей, влияющих на степень проводимости) и опять же хорошая цена обеспечили доминирование кремния в современной микроэлектронике. Немаловажную роль играет также то, что разработчики микросхем за многие десятилетия наработали множество эффективных конструкций микросхем именно на кремнии. Поэтому спроектировать новую интегральную схему на кремниевой подложке обычно гораздо проще, чем на других полупроводниковых материалах. При этом некоторые другие полупроводники, в особенности германий и арсенид галлия, также находят своё применение в ряде специфических областей микроэлектроники.
Проблема дальнейшего использования кремния в качестве основного полупроводникового материала имеет ряд ограничений. Размеры и скорости передовых микрочипов практически уже достигли того максимума, который кремний в принципе способен обеспечить. Вторая существенная проблема кремния — недостаточная термическая стабильность в ряде случаев, например при использовании в силовой электронике. Это требует использования сложных методов охлаждения. Даннные обстоятельства толкают учёных на поиск новых, более эффективных материалов, и самым «красивым» из этих материалов является алмаз.
Почему именно алмаз? Этот самый твёрдый в мире природный материал обладает к тому же выдающимися электронными свойствами. Он выдерживает гораздо большие напряжения по сранению с кремнием и пропускает больший электрический ток. Алмаз обладает лучшей теплопередачей, чем кремний и к тому же способен выдержать больший нагрев без ухудшения производительности. Как известно, кремний является полупроводником, а вот алмаз собственной проводимостью не обладает. По сути он является изоляционным материалом. Но современные технологии позволяют легировать поверхность алмаза, превращая его в полупроводник. Это даёт возможность создавать на поверхности алмаза электронные схемы.
Разумеется, в микроэлектронике применяются синтетические алмазы, выращенные в лаборатории. Натуральным алмазам впору удовлетворить всевозрастающий спрос на них в ювелирной промышленности. Искуственные алмазы возможно производить в виде плёнок, которые во много раз тоньше кремниевых пластин. Это открывает путь к созданию микрочипов с гораздо лучшими характеристиками, чем у их кремниевых предшественников. Исключительные температурные свойства алмаза прокладывают ему дорогу в космической отрасли. Как известно, дальний космос характеризуется резкими перепадами температуры: от экстремального холода до экстремального тепла. Алмаз гораздо лучше выдерживает такие условия, чем кремний.
К сожалению, на данный момент полномасштабное производство алмазных микрочипов, способных потеснить кремний, является отдалённой перспективой. 300 миллиметровая кремниевая подложка, на которой печатаются микрочипы, является сейчас самой распространённой в отрасли. Тогда как алмазная пластина имеет диаметр всего несколько миллиметров. Но работа над технологиями выращивания более крупных пластин продолжается. Надо отметить, что алмаз уже сейчас незаменим в производстве традиционных кремниевых микрочипов: алмазные зёрна и порошки используются для резки и полировки полупроводниковых пластин. Алмазы также используются в инструментах прецизионной обработки печатных плат, металлов, стекла и керамики.
Напрашивается вопрос о дороговизне синтетических алмазов по сравнению с кремнием. Но, во-первых, для производства микрочипов используется очень тонкая алмазная плёнка, а во-вторых, львиная доля стоимости микрочипа определяется не материалом, а дороговизной используемой технологии. Так что у алмаза хорошие шансы. Тем более, что производство синтетических алмазов в мире постоянно возрастает, а Индия вообще ставит рекорды в этой области, имея возможность предлагать данный материал по хорошей цене.
Ожидает ли нас «алмазный век» в электронике? Скоро мы это узнаем. Но уже сейчас ясно, что этот удивительный минерал и дальше продолжит оставаться одним из самых востребованных в нашем мире благодаря своей красоте и непревзойдённым свойствам.
