Не секрет, что микроэлектроника на основе монокристаллического кремния, являющегося основным материалом в современной полупроводниковой промышленности, практически исчерпала возможности для дальнейшкго развития по причине объективных физических ограничений этого материала. Чтобы «выжать» из микросхем на основе кремния всё большую и большую производительность, проектировщикам и производителям приходится тратить огромные суммы на исследования, разработки и производственное оборудование. Что приводит к всевозрастающему росту цен на современные микрочипы. Поэтому поиск замены кремнию сейчас актуален как никогда.
Уже активно используется целый ряд новых полупроводниковых материалов, таких как карбид кремния (SiC) или нитрид галлия (GaN), которые демонстируют ряд характеристик, значительно лучших, чем у традиционного кремния. Причём микрочипы из новых материалов — это не только теория, но и самая что ни на есть практика. Целый ряд производителей микрочипов мирового уровня, такие как франко-итальянский производитель STMicroelectronics или немецкие Infineon и Bosch, уже поставили производство таких чипов на поток. Силовую электронику современного автомобиля без SiC и GaN чипов уже попросту невозможно представить.
Но, пожалуй, самый загадочный материал, вокруг которого ходит множество слухов, домыслов и больших надежд — это графен. Открытый в 2004 году в Манчестерском университете, этот материал обладает высокой подвижностью электронов (примерно в 250 раз выше, чем у кремния), чрезвычайно лёгкой, прочной (примерно в 300 раз прочнее стали) и компактной конструкцией, и к тому же превосходной теплоотдачей. Совокупность этих свойств делает графен чрезвычайно привлекательным для использования в микроэлектронике.
Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенных в гексагональной (шестигранной) решетке. Уложенные в стопку графеновые слои образуют графит: материал, хорошо нам известный по стержням простых карандашей.
Почему же спустя целых двадцать лет с момента своего открытия такой перспективный материал так и не нашёл широкого практического применения в микроэлектронике? Дело в том, что сам по себе графен не является полупроводником, то есть материалом, который при определённых условиях проводит электричество, а при других условиях не проводит. Графен — это проводник, не имеющий запрещённой зоны: он не может работать в режиме изолятора.
Иными словами, наличие запрещённой зоны (энергии, необходимой, чтобы электрон «перепрыгнул» из валентной зоны, где он не может проводить электричество, в зону проводимости, где он это делать может) является необходимым, чтобы была чёткая разница между состояниями транзистора включено/выключено. На этом свойстве транзистора обрабатывать информацию собственно и держится вся микроэлектроника.
Что только не делают учёные, чтобы внедрить в графен запрещённую зону: от легирования его другими материалами до изменения формы его структуры. Но до недавнего времени вывести производство полупроводникового графена на сколь-нибудь заметный промышленный уровень не удавалось. Всё изменилось с учреждением в 2020 году компании Black Semiconductor GmbH в немецком Аахене. Компания специализируется на разработке решений в области фотоники, делая ставку именно на графен. Материал используется в качестве преобразователя электронных сигналов в оптические и наоборот. По задумке немецкого разработчика эта технология позволит использовать электроны для вычислений внутри чипа, а для связи между чипами использовать фотоны.
Таким образом планируется создавать масштабируемые структуры микросхем, при котором множество чипов будут взаимодействовать как единое целое. Принимая во внимание исключительную энергоэффективность и быстроту передачи информации, присущие графену, это может открыть новый этап в микроэлектронике. С финансированием у Black Semiconductor GmbH полный порядок: компания привлекла сотни миллионов евро как государственных средств, так и средство частных инвесторов. Каким образом немецкой компании удалось «доработать» графен? В нюансы своей технологии компания не углубляется, однако заявляет о намерении запустить пилотную линию по производству графеновых пластин к 2026 году. Ну а полномасштабное производство чипов на основе графена на 300 мм пластинах планируется развернуть в 2031 году.
