С каждым годом становится всё более очевидным, что эпоха монокристаллического кремния (Si) как фактического монополиста на рынке полупроводниковых материалов для производства микрочипов, завершается. Возникают всё новые и новые материалы: от уже нашедшего широкое распространение карбида кремния (SiC) до делающего первые робкие шаги графена. Но есть материал, стоящий в этом списке особняком благодаря своим исклдючительным свойствам. Речь идёт о нитриде галлия (GaN): составном полупроводнике с широкой запрещённой зоной.
Запрещённая зона: энергия, необходимая, чтобы электрон «перескочил» из валентной зоны, где он не может проводить электричество, в зону проводимости, где он электричество проводит.
Запрещённая зона GaN более чем в 3 раза шире, чем у кремния: 3,49 эВ (электрон-вольт) у GaN против 1,1 эВ у Si.
Широкая запрещённая зона обеспечивает этому полупроводнику более высокое напряжение пробоя и более высокую термическую стабильность, чем у кремния. Более высокая энергоэффективность GaN позволяет изготавливать микрочипы с более компактными размерами, меньшим весом и, как правило, с меньшей стоимостью. Так что всё больше производителей преобразователей напряжения, силовых МОП-транзисторов и диодов Шоттки предпочитают использовать нитрид галлия вместо традиционного кремния. Сверхбыстрые зарядные устройства для различной техники на нитриде галлия: от мобильных телефонов до электромобилей, — также развиваются семимильными шагами.
Но где нитрид галлия востребован особенно, так это в радиочастотных приложениях: от радаров до базовых станций сотовой связи. Это обусловлено высокой подвижностью электронов этого полупроводника: 2000 см2/В·с у GaN против 1500 см2/В·с у Si. В результате электроны в кристаллах нитрида галлия могут двигаться примерно на треть быстрее, чем в кремнии. Поэтому GaN чипы могут работать с более высокими частотами переключения, чем кремний. В итоге радиочастотное оборудование работает быстрее и эффективнее.
Следует отметить, что предшественником нитрида галлия является другой составной полупроводник: арсенид галлия (GaAs), до сих пор весьма широко использующийся в системах радиосвязи. Но для производства хоть GaAs, хоть GaN необходим сам галлий. А 98% мировых поставок сырого галлия обеспечивает Китай. В качестве ответной меры на волну санкций со стороны западных государств против китайской электронной промышленности Китай в июле 2023 года объявил об ограничениях на экспорт металлического галлия и его ключевых соединений, включая GaN и GaAs.
Как же Китаю удалось сосредоточить в своих руках практически монопольный контроль над международными поставками этого ценнейшего металла? Ничего особо сложного в производстве галлия нет: при переплавке бокситов в алюминий могут быть извлечены следовые количества галлия. А Китай на сегодняшний день обладает крупнейшей алюминиевой промышленностью в мире: прмерно 60% мировой торговли алюминием приходится на китайский металл. К тому же правительство Китая целенаправленно требовало от своих производителей алюминия устанавливать мощности по извлечению галлия. Создав избыточное предложение, в начале 2010-х годов Китай фактически обрушил мировые цены на этот металл. В результате ведущие производители галлия из Великобритании, Германии и Венгрии были вынуждены закрыть свои производства.
Учитывая, какое огромное количество микросхем из соединений галлия используется в системах ПРО, РЛС, РЭБ и системах связи, для американцев и других стран НАТО подобные ограничения — серьёзный удар. А учитывая, что буквально пару недель назад Китай объявил о переводе редких металлов, в том числе галлия, в государственную собственность и усилил контроль над их обращением, похоже, что мечтать о послаблениях в этом вопросе западным странам не приходится. Надо сказать, что производством сырого галлия китайцы вовсе не ограничиваются: китайская компания Innoscience — крупнейший в мире производитель GaN микрочипов.
А что с галлием у нас в России? С этим порядок: он производится на «Пикалёвском глинозёмном заводе», входящим в группу «Русал», в Ленинградской области. Учитывая размах нашей алюминиевой отрасли, нарастить при необходимости производство этого металла проблем не составляет. Вопрос в том, чтобы наша микроэлектронная промышленность как можно скорее обеспечила на него высокий спрос.
