То, что господство кремния как главного материала для производства микрочипов под угрозой, широко обсуждается уже более 10 лет. Однако кремниевые чипы сдавать свои позиции пока не собираются. Но скоро всё может измениться.

Жаркие дискуссии на эту тему возникли, когда в декабре 2012 года были опубликованы результаты одного интересного исследования. Группе ученых из Массачусетского технологического института во главе с профессором Хесусом дель Аламо удалось создать нанотранзисторы на основе арсенида галлия-индия. Длина нового транзисторного элемента оказалась рекордно малой — 22 нанометра (то есть всего 22 миллиардные доли метра).

Такой успех сразу же сделал галлиевые микрочипы главными (хотя и не единственными) кандидатами на замену кремниевым во всех вычислительных устройствах. Как известно, чем больше транзисторов можно разместить в чипе, тем он мощнее и тем больше функций может выполнять. Но, по мере того как кремниевые транзисторы уменьшаются до нанометрового масштаба, количество энергии, которое могут генерировать устройства, также уменьшается, что ограничивает скорость их работы. К тому же кремний становится бесполезным на атомарном уровне еще и из-за утечки электронов, что объясняется принципом неопределенности Гейзенберга. Всё это рано или поздно приведет к тому, что закон Мура (точнее, предсказание основателя Intel Гордона Мура о том, что количество транзисторов в микрочипах будет удваиваться каждые полтора года) перестанет действовать.

Поэтому исследователи уже давно стали изучать альтернативы кремнию, которые потенциально могут производить больше электричества даже при гораздо меньших размерах. И одним из таких перспективных материалов является как раз арсенид индия-галлия, уже давно использующийся в волоконно-оптических и радиолокационных технологиях. Как известно, этот материал обладает очень хорошими электрическими свойствами. Однако, несмотря на значительные успехи в обработке материала, до команды дель Аламо никому еще не удавалось производить устройства достаточно маленькие, чтобы из них можно было собирать микрочипы следующего поколения. Но с тех пор прошло 10 лет, поэтому давайте посмотрим, что происходит на этом рынке сейчас, и поговорим о перспективах чипов нового поколения.

Современный рынок арсенида галлия-индия

Наибольший спрос на передовую электронику сегодня наблюдается в Китае, Японии, Тайване и Индии. Это различные умные устройства IoT, а также смартфоны, компьютеры и ноутбуки. Вся эта техника требует постоянного совершенствования качества передачи данных, и именно арсенид галлия-индия способен удовлетворить требования растущего рынка. Поэтому развитие электронной промышленности будет способствовать и увеличению производства этого материала. Вот вам небольшая иллюстрация с указанием наиболее активных потребителей арсенида галлия в ближайшие 5 лет:

Как видим, наибольшую ставку на этот материал делают в странах Юго-Восточной Азии и в Австралии. Чуть менее активно интересуются им европейцы и южноамериканцы. В России всё предсказуемо грустно: нам пока проще импортировать всё нужное за ресурсы, чем развивать передовые технологии. Но пока не поздно одуматься и впрыгнуть на подножку, возможно, уходящего поезда. А о том, что этот поезд уже тронулся, говорят недавние новости.

Так, в феврале 2022 года дочка Optotech Corporation, тайваньская компания ProAsia Semiconductor, объявила об инвестициях в 3 млрд тайваньских долларов (более 105 млн долларов США) в производство микросхем с использованием полупроводниковых материалов нового поколения. Да, это тот самый арсенид галлия-индия, из которого уже давно делают элементы устройств беспроводной связи и оптоволоконных сетей.

А уже в мае прошлого года появилась новость о том, что Университет Южной Калифорнии заключил соглашение с WIN Semiconductors Corp. для ускорения разработки монолитных микроволновых интегральных схем (MMIC) на основе арсенида галлия с использованием технологических процессов WIN Semiconductors. Сотрудничество предполагает улучшение качества и производительности микросхем нового поколения с их одновременной миниатюризацией. Деталей этой технологии, конечно, разработчики пока не раскрывают, но общий процесс известен. Давайте его и рассмотрим.

Особенности устройства галлиевого транзистора

Транзисторы на основе арсенида галлия-индия состоят из трех электродов, один из которых используется в качестве затвора, а два других являются истоком и стоком — здесь ничего нового, по такому принципу работают любые транзисторы. Но поскольку пространства в этих крошечных транзисторах совсем мало, три электрода должны быть расположены очень близко друг к другу, а это требует такого уровня точности, которого невозможно достичь современными инструментами позиционирования. Поэтому ученые позволяют одному из электродов «самовыравниваться» между двумя другими.

Сначала выращивается тонкий слой материала с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии — процесса, широко используемого в полупроводниковой промышленности, при котором атомы индия, галлия и мышьяка реагируют друг с другом в вакууме, образуя монокристаллическое соединение. Затем на это соединение наносится слой молибдена, который используется в качестве контактного между истоком и стоком, а для формирования нужной конфигурации задействуется сфокусированный пучок электронов. Этот метод известен под названием электронно-лучевая литография. Далее остатки материала вытравливаются, а молибден обжигают на поверхности, где он плотно зажимается между электродами.

Хотя ряд этих методов используется в производстве кремниевых элементов, раньше они почти не применялись для изготовления галлиевых. Отчасти это связано с тем, что в таких областях, как оптоволоконная связь, пространство не так важно, поэтому технология изготовления элементов из арсенида галлия там иная. Но когда речь зашла об интеграции миллиардов крошечных транзисторов в чип, появилась необходимость полностью изменить технологию. И в значительной степени сделать ее похожей на технологию производства кремниевых чипов, но при гораздо меньших размерах элементов.

Однако, даже несмотря на достигнутую миниатюризацию, у транзисторов на основе галлия остаются другие проблемы. Основная заключается в том, что транзисторы постоянно включены, даже когда на них не подается напряжение. А для выключения транзистора необходимо подать отрицательное напряжение. Если ученым удастся решить эту проблему с одновременным удешевлением технологии, то транзисторы на основе галлия ждет хорошее будущее.

Графен и гексагональный нитрид бора

Разумеется, на галлиево-индиевых чипах свет клином не сошелся. Несмотря на очередное оживление в развитии данной технологии, существуют и другие перспективные решения, призванные преодолеть ограничения кремниевых чипов, которые на этот раз, кажется, уже подошли к пределу своей производительности.

В 2010 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Андрею Гейму и Константину Новоселову за открытие уже известного каждому материала под названием графен, который представляет собой углерод, состоящий всего из одного слоя атомов. Гейм и Новоселов смогли отделить отдельные слои атомов от куска графита с помощью простого скотча. Как выяснилось, этот материал обладает очень интересными свойствами. Например, такими как экстремальная электропроводность, которая у графена значительно выше, чем у любой другой известной трехмерной структуры. Тем не менее из-за высокой проводимости графен было трудно использовать в транзисторной промышленности, где преобладают полупроводниковые материалы.

Однако на помощь графену приходит еще один член семейства двумерных материалов — гексагональный нитрид бора. Поскольку он имеет ту же структуру, что и графен, но является изолятором, весьма любопытными выглядят исследования, посвященные вопросу, могут ли эти два атомарных слоя накладываться друг на друга, образуя так называемые двумерные гетероструктуры. Таким образом, желаемые полупроводниковые свойства могут быть достигнуты за счет комбинации изолирующего и проводящего слоев. Это позволит создать структуру толщиной всего в два слоя атомов, способную стать материалом будущего для производства транзисторов и наноэлектроники. И уже есть исследования, которые показывают, что гексагональный нитрид бора может хранить заряд.

Квантовые технологии

О них сегодня не пишет только ленивый. Однако квантовые компьютеры, работающие по совершенно иному принципу, чем другая электроника, вряд ли станут полноценной заменой компьютерам обычным. Причины заключаются в том, что квантовые технологии, во-первых, исключительно дорогие (и в ближайшие десятилетия вряд ли сравнятся по стоимости с классическими). А во-вторых, они предназначены для решения специфических задач, основанных главным образом на параллельных вычислениях, а вот для линейных вычислений приспособлены не слишком.

С помощью квантовых мощностей можно эффективно работать с криптографией и практически мгновенно обрабатывать огромные массивы Big Data, обучая на них ИИ. Пример двухлетней давности: китайский квантовый компьютер «Цзючжан» всего за 200 секунд решил задачу, для решения которой самому мощному классическому компьютеру потребовалось бы полтора миллиарда лет! Но при всех преимуществах квантовых компьютеров заменить обычные в ближайшие годы они вряд ли смогут.

Заключение

Какая технология в итоге станет господствующей, сказать сложно, но очевидно, что электроника подошла к очередной точке трансформации, которая позволит достичь невиданных ранее высот производительности. Безусловно, производство техники, работающей на новом уровне производительности, вряд ли будет поставлено на поток в ближайшее десятилетие, однако сомнений в том, что она скоро появится, остается всё меньше.

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.