реклама
Offсянка

Он вам не силикон! Часть вторая: сила, блеск и двумерность

⇣ Содержание

В конце марта 2024-го американский производитель силовой электроники Wolfspeed объявил о начале финальной стадии возведения специализированного центра по выпуску заготовок для полупроводников на основе карбида кремния — John Palmour Silicon Carbide Manufacturing Center: строительство цехов в целом завершено, начата установка оборудования для изготовления 200-мм в диаметре «слитков» SiC. Это предприятие, первую продукцию на котором намечается получить в декабре текущего или январе будущего года, — одно из крупнейших на территории США: занимаемая площадь — более 180 га, объём инвестиций к настоящему времени — свыше 5 млрд долл., предполагаемые суммарные затраты до момента начала серийного производства на фабрике — 6,5 млрд долл. Wolfspeed обеспечивает поставки более 60% пластин-заготовок для получения микросхем на основе карбида кремния. Чем же они так привлекательны?

 150-мм в диаметре кристаллы карбида кремния (источник: GTAT)

150-мм в диаметре кристаллы карбида кремния (источник: GTAT)

#Силовая сторона

При всей своей универсальности чистый кремний как основа для любой микроэлектроники всё-таки не идеален: в отдельных областях приложения его опережают по эффективности даже заведомо более дорогие в производстве соединения: как, скажем, упомянутый в предыдущем нашем материале нитрид галлия — в случае высокочастотных полупроводниковых приборов. Помимо GaN, разработчики управляющих микросхем для энергетических и иных промышленных нужд обратили самое пристальное внимание на карбид кремния (SiC) — материал, применявшийся в электронике ещё с начала 1900-х годов. Интересно, что как готовое химическое соединение карбид кремния — даром что сложен из чрезвычайно распространённых атомов — практически не встречается на Земле (разве что в корундовых месторождениях да кимберлитовых трубках), зато входит в состав многих метеоритов.

SiC, как и GaN, относится к полупроводникам с широкой запрещённой зоной — примерно втрое более широкой, чем у кремния (3,25 эВ против 1,12 в тех же единицах). При этом у него выше твёрдость (9,2 против 6,5 по шкале Мооса) и температура плавления (примерно 2500 °C против 1500 для Si). Понятно, что до точки фазового перехода электроника в процессе работы в любом случае не разогревается, однако карбид кремния продолжает сохранять свойства полупроводника при нагреве как минимум до 400 °С, а в ряде случаев и до 600 °С. В сочетании с высокой теплопроводностью (которая сама по себе — огромное достоинство, так как позволяет отбирать избыточное тепло от SiC-микросхем радиаторами меньшей эффективной площади) это означает готовность приборов на основе карбида кремния работать в таких условиях, где обычные кремниевые полупроводники заведомо неприменимы.

 Примерные границы применимости СБИС на основе SiC и GaN в координатах рабочей частоты (по горизонтальной оси, Гц) и выходной мощности (Вт; обе шкалы логарифмические), а также условные обозначения различных индустриальных приложений соответствующих полупроводниковых приборов (источник: Infineon)

Примерные границы применимости СБИС на основе SiC и GaN в координатах рабочей частоты (по горизонтальной оси, Гц) и выходной мощности (Вт; обе шкалы логарифмические), а также условные обозначения различных индустриальных приложений соответствующих полупроводниковых приборов (источник: Infineon)

Другое важное свойство SiC, обусловленное большой шириной его запрещённой зоны, — низкая концентрация свободных зарядов в толще материала при нормальных условиях работы: это значительно снижает вероятность пробоя образца в режиме диэлектрика. Напряжение пробоя для карбида кремния — примерно 2400 кВ/см, чистого кремния — около 300 кВ/см; таким образом, силовая SiC-электроника способна выдерживать приблизительно в восемь раз более сильные напряжения без потери полупроводниковых свойств. Напротив, если полагаться на привычные для Si-микросхем напряжения, полупроводниковый прибор на основе SiC можно сделать значительно более компактным — поскольку даже при существенно меньшей длине затвора (которая определяет величину электрического сопротивления) пробоя всё равно не произойдёт.

То же верно и для предельной частоты переключения затвора SiC-транзистора между состояниями «закрыто» и «открыто»: она существенно выше, чем для кремниевого, при меньших габаритах и массе прибора, что делает карбид кремния едва ли не идеальным материалом для компактных и лёгких управляющих систем электрических двигателей и аккумуляторов самого разного назначения. Станции подзарядки электромобилей, которые полагаются на SiC-электронику, позволяют минимум вдвое сократить время заряжания стандартной батареи — что чрезвычайно важно с точки зрения комфортности регулярного пользования этим новомодным средством передвижения. Для дата-центров, полагающихся на мощные системы охлаждения, карбид кремния — тоже крайне удачная находка: по оценке одного из ведущих (наряду с Infineon, OnSemi и другими) производителей SiC-микросхем, Wolfspeed, перевод серверов типичного ЦОДа на блоки питания с микроэлектроникой на базе карбида кремния ведёт к снижению энергозатрат на отвод тепла сразу на 40%, без каких бы то ни было дополнительных оптимизаций.

Важная особенность SiC — широта спектра элементов, которые при добавлении в качестве присадок меняют его электрические свойства. Небольшие добавки алюминия, бора или галлия позволяют создавать на основе карбида кремния участки проводимости p-типа, тогда как присадки азота или фосфора обеспечивают проводимость n-типа. Это позволяет сравнительно просто изготавливать КМОП-транзисторы — основные элементы современной микроэлектроники для самого широкого спектра приложений. Интересно также, что проводимость SiC можно контролировать не только приложением управляющего напряжения, но и излучением определённой интенсивности, причём в широком диапазоне длин волн, — от инфракрасного до ультрафиолетового.

 Готовые к отправке заказчикам 300-мм в диаметре «слитки» монокристаллического кремния напоминают ожидающие своей очереди на распиловку брёвна на лесопилке — но, в отличие от последних, не требуют долгих лет для выращивания (источник: Western Minmetals)

Готовые к отправке заказчикам 300-мм в диаметре заготовки монокристаллического кремния напоминают ожидающие своей очереди на распиловку брёвна на лесопилке — но, в отличие от последних, не требуют долгих лет для выращивания (источник: Western Minmetals)

Практически весь используемый на планете сегодня карбид кремния — синтетического происхождения: его уже уверенно выращивают монокристаллом диаметром 100 и 150 мм, а вскоре будет освоена в промышленном масштабе и 200-мм технология. Собственно, уже это демонстрирует, насколько сложнее в производстве кристаллы SiC, чем чисто кремниевые структуры: для последних уже много лет стандартом являются длинные заготовки диаметром 300 мм, и даже обсуждение перехода на 450-мм диаметр ведётся уже больше десятка лет.

Добавим в скобках (поскольку тема статьи — всё-таки полупроводники кроме кремния), что главное препятствие на пути к 450-мм пластинам Si — вовсе не химическое, физическое или техническое, а чисто экономическое. При внушительном числе активно действующих в мире машин для фотолитографии и для сопутствующих процессов обработки 300-мм пластин-заготовок, да ещё и с учётом запредельной стоимости такого оборудования, инвестиции в разработку «того же самого, но с перламутровыми пуговицами для 450-мм в диаметре пластин» представляются для чипмейкеров по всему миру, мягко говоря, опрометчивыми. Если в своё время переход на 150-мм пластины во многом был проинвестирован Intel, а на 200-мм — IBM, то финансовая нагрузка по превращению 300-мм «слитков» кремния в новый стандарт была по сути возложена на изготовителей чипмейкерского оборудования — и оказалась настолько высокой, что для выхода на окупаемость тем понадобилась прорва времени. При нынешнем — не самом цветущем, увы, — состоянии глобального ИТ-рынка страшно даже представить, в какую сумму обойдётся разработка и создание, скажем, High-NA EUV-фотолитографа для 450-мм пластин — и через какое время поставки такого рода машин окажутся для ASML прибыльными.

Так вот, высококачественные — в смысле отсутствия посторонних примесей более чем на 99,9% по массе — заготовки SiC ещё в начале 2000-х научились сравнительно легко делать сперва 100-мм диаметра, затем 150-мм (правда, на первых этапах не слишком значительной длины, но это дело наживное). А вот дальше начались сложности с получением равномерной кристаллической структуры по всей толще: тугоплавкость и высокая твёрдость карбида кремния требуют сильного нагрева для получения кристалла, а значит, на выращивание «слитка» уходит в разы больше энергии и времени. Хуже того, особая структура кристаллической решётки той разновидности SiC, что проявляет полупроводниковые свойства, отличается высокой прозрачностью и вместе с тем значительной отражательной способностью — и это крайне затрудняет инспекцию заготовки на предмет физических дефектов.

 Монокристалл карбида кремния, выращенный в лаборатории: для промышленных нужд добиваются получения более протяжённой цилиндрической части, поскольку из полусферической будут выходить пластины меньшего диаметра (источник: Wikimedia Commons)

Монокристалл карбида кремния, выращенный в лаборатории: для промышленных нужд добиваются получения более протяжённой цилиндрической части, поскольку из полусферической будут выходить пластины меньшего диаметра (источник: Wikimedia Commons)

Тем не менее переход изготовителей полупроводников на основе карбида кремния на 200-мм пластины уже начинается, а значит, сами такие приборы станут более массовыми и доступными. По оценке TrendForce, в 2023-2026 гг. мировой рынок силовых полупроводниковых приборов на основе карбида кремния будет расти умопомрачительными для нынешних экономических реалий темпами — более чем на 40% каждый год, от 2,28 млрд долл. в начале этого периода до 5,33 млрд в конце. Кстати, напомним, что упомянутая в самом начале настоящего материала фабрика John Palmour Silicon Carbide Manufacturing Center обойдётся её устроителю, американской Wolfspeed, в 6,5 млрд долл. Отсюда нетрудно сделать оценку, насколько же велик потенциал роста данного рынка, если только одна из оперирующих на нём компаний инвестировала в очередную свою SiC-фабрику почти втрое бóльшую сумму, чем весь оборот микросхем этого типа за 2023 г. А ведь помимо Wolfspeed, 200-мм пластины карбида кремния намерена выпускать с 2026 г. японская Mitsubishi Electric; существенно нарастить свои мощности собирается в ближайшем будущем европейская Mersen, — да и в КНР предприятие SICC уже инвестирует в локальный Silicon Carbide Semiconductor Materials Project. Силовая электроника на базе SiC нужна всем!

#Лучшие друзья микроэлектронщиков

Углерод — один из самых примечательных по своим свойствам химических элементов Вселенной; достаточно сказать, что единственная известная пока человечеству разновидность жизни (а именно белковая) образовалась как раз на углеродной основе. В природе углерод встречается в самых разных соединениях и видах, но наиболее, наверное, привлекательный среди них — как визуально, так и по химико-физическим особенностям — это полиморфная кубическая его модификация, образующаяся исключительно при высоких давлениях, — алмаз. Как мы уже отмечали в первой статье о полупроводниковых материалах, отличных от чистого кремния, алмаз характеризуется не просто широкой, а чрезвычайно пространной запрещённой зоной (5,47 эВ против 1,12 у Si); при этом у него высочайшая из возможных твёрдость (10 по шкале Мооса), значительная температура плавления (около 3 500 °С), а также довольно близкие — и также огромные — значения электронной и дырочной проводимостей (до 4500 и 3800 см²/(В·c) соответственно при температуре 300 К). Сочетание этих свойств делает алмаз ещё более перспективным силовым полупроводником, чем нитрид галлия и карбид кремния, — поскольку сопротивление пробою для кристаллического углерода в кубической решётке здесь заведомо лучше, чем для прочих его аналогов: предельная плотность тока, способного проходить через канал, у алмаза в 5 тыс. раз выше, чем у кремния, а предельное напряжение — в 30 раз выше.

 Один из крупнейших в мире натуральных алмазов — Lesedi la Rona («Наш свет» на языке тсвана), найденный в Ботсване в 2015 г., весит 1109 карат (около 222 г) и оценивался на момент обнаружения в 70 млн долл. Трудно даже сообразить, с чего начать перечисление причин, по которым подобные природные образцы полиморфной кубической модификации углерода не годятся для массового микроэлектронного производства (источник: NPR)

Один из крупнейших в мире натуральных алмазов — Lesedi la Rona («Наш свет» на языке тсвана), найденный в Ботсване в 2015 г., весит 1109 карат (около 222 г) и оценивался на момент обнаружения в 70 млн долл. Трудно даже сообразить, с чего начать перечисление причин, по которым подобные природные образцы полиморфной кубической модификации углерода не годятся для массового микроэлектронного производства (источник: NPR)

Готовность электронов на внешней орбитали атома углерода образовывать ковалентные связи сопоставима с таковой для кремния — недаром эти элементы относятся к одной и той же группе (столбцу) в Периодической системе Менделеева. Легированный атомами бора, алмазный полупроводник меняет локально свои проводящие свойства и позволяет тем самым формировать МОП-транзисторы, в том числе при массовом поточном производстве, — в результате можно надеяться получать сверхпрочные микросхемы, устойчивые к запредельным для современной электроники условиям по физическим, тепловым и иным нагрузкам, включая радиационные, что особенно важно для разнообразных космических приложений. Мало того, что алмазная микросхема способна нагреваться впятеро сильнее кремниевой, не теряя своих свойств, — так ещё и эффективность теплопереноса для первой в 20 с лишним раз больше, чем для второй, что неимоверно упрощает охлаждение алмазных полупроводников.

Разумеется, речь ни в коем случае не идёт о природных алмазах: мало того, что те сравнительно редки, непредсказуемые условия их образования в каждом конкретном случае приводят к неизбежным загрязнениям самородных образцов кристаллического углерода в кубической решётке — для ювелирного дела непринципиальных и даже иногда желательных, но в плане микроэлектроники совершенно недопустимых. В дело при создании полупроводников идут синтетические алмазы, получаемые, например, из метана в особых реакторах способом микроволнового плазмохимического осаждения из паровой фазы. И всё было бы просто замечательно (если не считать некоторых сложностей с подбором эффективных присадок для организации локальных зон n- и p-проводимости на алмазных подложках), если бы не одно, зато очень серьёзное но: выращивать заготовки синтетических алмазов с необходимой чистотой и геометрической правильностью кристаллических решёток архитрудно.

 Выращиваемые в лабораторных условиях по методу CVD синтетические алмазы: толщина пластин — до 2 мм, размеры — примерно 20х20 мм (источник: Sanyi Lab)

Выращиваемые в лабораторных условиях по методу CVD синтетические алмазы: толщина пластин — до 2 мм, размеры — примерно 20 × 20 мм (источник: Sanyi Lab)

По состоянию на конец 2023 г., когда производство заготовок (впоследствии разрезаемых на пластины) диаметром 450 мм для кремния и 200 мм для SiC уже не представляло серьёзной технической проблемы, алмазные болванки удавалось получать немногим более чем 1-дюймовыми в поперечнике. Один из хорошо отлаженных процессов, с применением высоких температур и высоких давлений, даёт отличные по качеству кристаллы углерода в кубической решётке, но — предельной площадью сечения всего-то около 1 см². Вдобавок высокие энергозатраты и особые требования к реактору чрезмерно удорожают сколько-нибудь крупносерийное производство синтетических алмазов по традиционной методике. Другой процесс, химическое осаждение атомов углерода из паровой фазы (chemical vapor deposition, CVD), позволяет увеличить площадь сечения заготовки до 5, а то и 10 см², но, увы, ценой заметного роста неидеальности кристаллической структуры. Если для SiC характерная плотность дефектов формируемого «слитка»-кристалла составляет около сотни на 1 см² (и то это очень много в сравнении с чистым Si), то у полученного методом осаждения из паровой фазы алмаза — более 100 тыс. на 1 см². Таким образом, ещё не разрезанные заготовки уже содержат значительное число заведомо негодных для дальнейшей обработки участков — что существенно снижает выход годных микросхем с получаемой затем пластины.

«Определённые затруднения» с присадками, о которых уже упоминалось чуть выше, тоже, на самом деле, представляют изрядную инженерную проблему. Обычная для полупроводниковой индустрии обработка подложки пучками ионов для внедрения ядер нужных атомов в кристаллическую структуру в случае алмаза не слишком подходит: высокая прочность этого материала, обусловленная чрезвычайно сильными связями в кубической решётке, препятствует сколько-нибудь глубокому проникновению нужных ионов. Вот, кстати, ещё одна причина, по которой технология CVD для получения алмазных «слитков» всё же более предпочтительна: внедрять необходимые элементы на отдельные участки заготовки прямо на этапе формирования на ней алмазного слоя оказывается значительно проще. Однако и это — не полноценный выход: толщина участка с присадкой оказывается в каждом слое сопоставимой с толщиной основного материала, что приводит к формированию в полупроводнике каналов, которые для своей активации требуют больше энергии, чем аналогичные структуры на базе Si или даже SiC. В результате полученные таким образом алмазные полупроводниковые приборы при нормальной температуре (273 K) оказываются более энергетически прожорливыми и менее эффективными, чем основанные на карбиде кремния.

Да, где-то начиная с 450 К с алмазными микросхемами прочим становится труднее конкурировать, поскольку все прочие к этому моменту уже отказывают, — но с точки зрения перспектив повсеместной замены Si кристаллическим углеродом с кубической решёткой это слабое утешение.

Отдельная проблема, которую необходимо будет решить на уровне массового производства в ходе такой (гипотетической пока) замены, — это собственно нарезка полученного алмазного «слитка» на пластины, если всё-таки ставить целью освоение отличного от CVD способа выращивания заготовки. Разумеется, лучше всего для этой цели подходят лазеры, — и японские исследователи из Chiba University не так давно предложили довольно оригинальный способ для быстрого и точного разрезания синтетических алмазных цилиндров именно лазером. Особенность метода в том, что, вопреки интуитивным ожиданиям, он не подразумевает прохождения сверхмощного энергетического луча поперёк главной оси сквозь толщу «слитка»: это и чересчур энергозатратно, и всё равно не сформирует пригодный сразу для дальнейшей обработки срез.

 Схема из статьи японских исследователей, поясняющая принцип «внутренней слоевой перфорации» алмазной заготовки лазером (источник: Chiba University)

Схема из статьи японских исследователей, поясняющая принцип «внутренней слоевой перфорации» алмазной заготовки лазером (источник: Chiba University)

Дело в том, что образовывать на алмазной подложке зоны p- и n-проводимости следует на поверхности, представляющей собой срез кристаллической структуры строго по одной проходящей через множество атомов плоскости, — а нацелиться соответствующим образом лазерным пучком на макроскопический «слиток» невероятно сложно. Японцы подошли к задаче творчески: они воздействуют сфокусированным практически в точку лучом буквально на один слой атомов в толще заготовки (благо та для оптического излучения прозрачна). В результате кристаллическая структура в «перфорированном» слое превращается в аморфный углерод с меньшей, чем у алмаза, плотностью, после чего остаётся всего лишь разломить «слиток» по получившейся плоскости и отшлифовать остаточные неровности.

Другая группа исследователей из Страны восходящего солнца, на сей раз из Национального института материаловедения (National Institute for Materials Science, NIMS), предложила алмазный полевой транзистор с дырочной проводимостью — с монокристаллом нитрида бора с гексагональной решёткой в качестве изолирующего затвор слоя. Подведённый к затвору электрод представленного в качестве прототипа транзистора выполнен из графита, а алмазная пластина использована как подложка — получается, подобный полупроводниковый прибор можно создать и на изготовленной методом CVD заготовке, и на срезе выращенного единым куском «слитка». Новаторство группы из NIMS заключается в том, что до них для формирования отдельных элементов транзистора на алмазной подложке применяли различные присадки, в частности водород, — и тем самым эффективно снижали высочайшую природную дырочную проводимость чистого алмаза. Более высокая проводимость транзистора без водородных присадок означает и сокращение потерь энергии при прохождении через него заряда, что особенно важно для высокочастотных и/или оперирующих с высокими напряжениями полупроводниковых приборов.

#Манящая двумерность

Ещё в 2018 г. аналитики McKinsey обратили внимание на замедление прироста производительности кремниевых процессоров, которая с 1970-го и примерно до 2005 г. была практически экспоненциальной, а к началу 2010-х по сути вышла на плато. При этом затраты на НИОКР в плане дальнейшего совершенствования кремниевых технологий (прежде всего — на поступательное сокращение характерных масштабов фотолитографического производства) увеличивались опережающими темпами, как и объёмы капитальных инвестиций в постройку всё новых фабрик. К примеру, условная средняя фабрика производительностью 30 тыс. 300-мм пластин в месяц что для «45-нм», что для «22-нм» техпроцесса обходилась примерно в одну и ту же сумму — около 2,5 млрд долл. Зато на постройку, оснащение и подготовку к работе аналогичного по характеристикам предприятия по выпуску «14-нм» чипов требовалось истратить уже более 3,5 млрд долл., а «10-нм» — почти 5,5 млрд. И чем ближе габариты отдельных элементов полупроводниковых транзисторов к характерному размеру единичного атома, тем неизбежно более затратными будут оказываться попытки штурмовать этот предел с использованием модифицированных-перемодифицированных фотолитографических технологий родом из середины прошлого века.

 Наглядная демонстрация того, как с годами замедлялся рост производительности компьютерных (слева) и смартфонных процессоров; вертикальная шкала — логарифмическая (источник: McKinsey)

Наглядная демонстрация того, как с годами замедлялся рост производительности компьютерных (слева) и смартфонных процессоров; вертикальная шкала — логарифмическая (источник: McKinsey)

В том же аналитическом исследовании прямо указывался ряд материалов, способных эффективно заменить старый добрый кремний в полупроводниковых микросхемах общего назначения — а не только преимущественно силовых, как GaN, SiC или алмаз, — на субатомных и атомных масштабах. Это дисульфид молибдена, силицен (одно из двумерных аллотропных разновидностей кремния), германен (тоже двумерный, т. е. составленный из уложенных в один слой атомов — в данном случае германия, — материал), чёрный фосфор, но прежде всего — графен. Это слой из атомов углерода, образующих гексагональную решётку — точь-в-точь пчелиные соты. Физико-химические его свойства кардинально отличаются от таковых для других модификаций углерода, включая всем известные графит и алмаз (да и тот же силицен): графен — полуметалл, как и кремний, и германий; крайне тугоплавкий и характеризующийся высокой электропроводностью, обеспеченной значительной подвижностью как электронов, так и дырок в его структуре. Хотя графеновый слой, если прилагать к нему усилие перпендикулярно нормали, чрезвычайно гибок — что, собственно, и позволяет формировать из него углеродные нанотрубки (которые сами по себе довольно многообещающи с точки зрения полупроводниковой индустрии, но об этом как-нибудь в другой раз). Продольная же упругость графена сравнима с таковой для алмаза — что означает высокую механическую прочность изготовленных из этого двумерного материала миниатюрных элементов полупроводниковых приборов.

Правда, здесь имеется небольшая загвоздка: у графена целиком и полностью отсутствует запрещённая зона — разность между минимальной энергией свободного электрона и максимальной энергией электрона в составе кристаллической решётки фактически равна нулю. Классические же полупроводниковые приборы как раз используют сам факт наличия запрещённой зоны для управления переносом заряда: если такой зоны нет, непонятно, как переключить затвор транзистора из положения «закрыто» в «открыто» и наоборот. Транзистор на основе графена будет проводить ток всегда — и какой тогда в нём смысл? А такой, что если оставить без внимания этот досадный недочёт, прибор-то выходит крайне привлекательным — с великолепной подвижностью зарядов (и дырок), с отличной устойчивостью к механическим, тепловым и иным воздействиям, с прекрасными перспективами миниатюризации (речь изначально идёт об одноатомном слое!) и проч. Разумеется, инженеры-микроэлектронщики прилагают немалые усилия к тому, чтобы заставить транзисторы на графеновой базе хоть как-то реагировать на управляющее напряжение, перекрывая по команде проходящие через них токи, — что даст возможность сделать эти приборы в полном смысле слова полупроводниковыми.

 Микросхема на графеновой основе; практически ручная работа — лабораторное, не серийное производство (источник: Georgia Tech)

Микросхема на графеновой основе; практически ручная работа — лабораторное, не серийное производство (источник: Georgia Tech)

Среди предлагаемых мер — использование двуслойного графена (свойства которого, как и следовало ожидать, весьма отличны от свойств однослойной его разновидности), а также гетероструктур с применением иных двумерных материалов — например, пары графеновых слоёв, разделённых таким же одноатомным по толщине листом гексагонального нитрида бора, который сам по себе является полупроводником с довольно широкой запрещённой зоной. Впрочем, это только начало: для перехода от лабораторных исследований одиночных транзисторов к массовому поточному производству графеновой микроэлектроники придётся научиться производить графеновые листы (и слои иных двумерных материалов) с необходимым качеством и в достаточном количестве, продумать технологию компоновки соответствующих КМОП-транзисторов, освоить достаточно скоростную дефектоскопию готовых графеновых чипов на атомарном уровне — и ещё многое, многое другое. Обзор McKinsey 2018 г. предсказывал, что не ранее чем через 10-25 лет с момента его публикации будет уверенно освоено внедрение графеновых элементов в классические кремниевые СБИС общего назначения (в частности, для оптимизации межсоединений), а полномасштабный переход на полупроводниковое производство с двумерными материалами вместо привычных сегодня трёхмерных состоится не ранее середины 2040-х годов.

Межсоединения упомянуты здесь не случайно: актуальная сегодня фотолитографическая технология предусматривает изоляцию медных токоведущих шин на поверхности полупроводникового кристалла от кремниевой (или иной полуметаллической) подложки слоем нитрида тантала, который может простираться более чем на 10 нм в толщину. В отсутствие этого слоя атомы меди диффундируют в полупроводник, ощутимым образом меняя его свойства. Переход к двумерным структурам в качестве изолятора уже сам по себе — даже без использования графена или подобных материалов для создания транзисторных компонентов — позволит ощутимо уплотнить микросхемы и улучшить их характеристики: теплопроводность, стойкость к повышенным рабочим частотам и напряжениям и т. п.

 Первым (получаемым также в лаборатории) пластинам с графеновыми полупроводниками ещё ох как далеко до 300-мм серийных кремниевых (источник: Georgia Tech)

Первым (получаемым также в лаборатории) пластинам с графеновыми полупроводниками ещё ох как далеко до 300-мм серийных кремниевых (источник: Georgia Tech)

Только в начале 2024 г. исследователи из Тяньцзиньского университета в КНР и Технологического института Джорджии в США создали первый в мире действующий полупроводник на основе графена, опубликовав результаты своей работы в Nature. Применив так называемый квазиравновесный отжиг (quasi-equilibrium annealing), инженеры образовали на подложке из карбида кремния слой эпитаксиального (наращенного в химической связи с основанием) графена. Оказалось, что сформированный именно таким образом двумерный материал обрёл столь необходимую для классического полупроводника ненулевую ширину запрещённой зоны. Мало того, подвижность зарядов в полученном слое оказалась хотя и пониже, чем у «свободного» графена, но всё равно на десятичный порядок выше, чем у чистого Si. И это действительно вдохновляет, — если удастся масштабировать технологию квазиравновесного отжига для более или менее массового производства, прекрасное графеновое будущее может оказаться значительно ближе, чем представлялось аналитикам McKinsey в 2018 году.

Как можно заметить, при всех замечательных свойствах отличных от чистого (поли)кристаллического кремния полупроводников все они — по крайней мере, на нынешнем этапе развития технологий — почти безнадёжно уступают ему в прикладном плане. Там, где СБИС приходится работать на запредельных для Si частотах и/или пропускать через себя внушительной силы токи, деваться некуда — приходится изготавливать дорогостоящие и сложные в производстве приборы на основе GaN, SiC, алмаза и иных, куда более экзотических материалов. Но прямой замены старому доброму кремнию в микросхемах общего назначения пока что нет, и вряд ли в обозримой перспективе она появится. По крайней мере не ранее, чем микроэлектронщики научатся уверенно обращаться с графеном и иными двумерными структурами. Будем надеяться, до этой светлой поры осталось значительно меньше времени, чем прошло с момента изобретения первого полупроводникового транзистора (1947 г.) до наших дней.

 
 
⇣ Содержание
Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Вечерний 3DNews
Каждый будний вечер мы рассылаем сводку новостей без белиберды и рекламы. Две минуты на чтение — и вы в курсе главных событий.
window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥
Activision оставила Call of Duty: Black Ops 6 без русской озвучки, но это не точно 2 ч.
Авторы No Man’s Sky вернули «неповторимое ощущение одиночества во вселенной» из ранней версии — стартовала экспедиция Adrift 2 ч.
Activision отсудила у создателей читов для Call of Duty ещё 14 миллионов долларов, но не всё так просто 14 ч.
ЕС учредил орган, который будет следить за безопасным развитием ИИ 15 ч.
Кошачий ролевой экшен Kristala с духом Dark Souls ворвётся в ранний доступ Steam на следующей неделе — дата выхода и новый трейлер 15 ч.
Интернет-архив Wayback Machine подвергся мощной и продолжительной кибератаке 16 ч.
Sony всё-таки подтвердила майский выпуск State of Play — где и когда смотреть, что могут показать 16 ч.
PayPal добавила стейблкоин PYUSD в популярный среди мемкоинов блокчейн Solana 17 ч.
В Windows появится магазин Android-приложений от Tencent 18 ч.
В сентябре TikTok оспорит свою блокировку в суде США 18 ч.
Первичные чёрные дыры — плохие кандидаты на роль тёмной материи, объяснили японские учёные 30 мин.
Новинка Exell: мощный лазерный 3LCD-проектор EXL407Z 2 ч.
Samsung отобрала у Apple лидерства на мировом рынке смартфонов в прошлом квартале 2 ч.
Япония ужесточит контроль за экспортом важных для национальной экономики технологий 3 ч.
HP нарастила продажи ПК впервые с мая 2022 года благодаря корпоративному сегменту 4 ч.
Новая статья: Обзор ноутбука AORUS 16X 9KG: перед таким экраном играть — одно удовольствие 11 ч.
Cadillac представила Optiq — роскошный электрический кроссовер по цене от $54 000 11 ч.
TeamGroup представила модули памяти T-Create Expert AI LPDDR5X CAMM2 со скоростью до 7200 МТ/с 12 ч.
Конкурент Neuralink установил рекорд по числу электродов в мозге человека — 4096 штук на площади со спичечный коробок 12 ч.
Apple решит проблему конфиденциальности в облаке с помощью «Черного ящика» 13 ч.