 Полупроводниковый кремниевый чип начал революцию в области электроники и компьютеризации, которая сделала жизнь в первые годы 21-го века едва узнаваемый с момента ее начала. Кремниевые интегральные схемы лежат в основе практически всего, что мы в настоящее время воспринимаем как должное в нашем взаимосвязанном цифровом мире. Контролирование используемых нами систем позволяет нам получить доступ к информации и обмениваться ею по желанию
Темпы прогресса по первому кремниевому транзистору в 1947 году были огромны, и число транзисторов на одном кристалле выросло из нескольких тысяч в ранних интегральных схемах до более чем двух миллиардов сегодня. Закон Мура, показывающий, что плотность транзисторов будет удваиваться каждые два года, по-прежнему остается верным спустя 50 лет после его предложения.
Тем не менее кремниевая электроника сталкивается со сложной задачей: последние схемы имеют ширину всего лишь в 7 нм. Размер отдельных атомов кремния (около 0.2 нм) будет твердым физическим пределом (со схемами шириной в один атом), но его поведение станет неустойчивым и трудно контролируемым к этому моменту.
Без способности дальнейшего сокращения размеров интегральных схем кремний не может продолжать производить новые достижения. Решение этой задачи требует переосмысления того, как мы производим устройства, или поиск альтернативы самому кремнию.
Чтобы понять проблему, мы должны посмотреть на то, почему именно кремний стал материалом для электроники. В то время как он имеет много точек в его пользу – обильность материала, относительно легкая обработка, хорошие физические свойства и стабильной родной оксид (SiO2), который также является хорошим изолятором - кремний также имеет несколько недостатков.
Например, большое преимущество объединения все большего числа транзисторов в одном кристалле заключается в том, что оно дает возможность интегральным схемам обрабатывать информацию быстрее. Но это повышение скорости критически зависит от того, как легко электроны могут перемещаться в пределах полупроводникового материала. Это известно как подвижность электронов, и в то время как электроны в кремнии являются достаточно мобильными, они гораздо более мобильных в других полупроводниковых материалов, таких как арсенид галлия, арсенид индия и антимонид индия.
Полезные проводящие свойства полупроводников не только касаются движения электронов, но и движение, которое называется электронными отверстиями - пробелами, оставленные в решетке электронов, окружающих ядро, после того, как электроны были вытеснены.
Современные интегральные схемы используют технологию, называемую комплементарным металло-оксидным полупроводником (CMOS), который использует пару транзисторов - один с использованием электронов и других электронных дырок. Но подвижность электронного отверстия в кремнии является очень плохим и препятствует более высокой производительности - так что в течение нескольких лет производители были вынуждены повысить ее посредством включения германия в кремний.
Вторая проблема кремния заключается в том, что производительность сильно падает при высоких температурах. Современные интегральные схемы с миллиардами транзисторов генерируют значительное количество тепла, поэтому много усилий уходит на их охлаждение – таких, как вентиляторы и радиаторы, привязанные к типичному для рабочего стола компьютерному процессору. Альтернативные полупроводники, такие как нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC), справляются гораздо лучше при более высоких температурах, а это означает, что они могут работать быстрее, и уже начинают заменять кремний в критически важных высокомощных приложениях, таких, как усилители.
Наконец, кремний очень плохо на пропускает свет. В то время как лазеры, светодиоды и другие фотонные устройства являются обычным явлением сегодня, они используют альтернативные полупроводниковые соединения кремния. В результате появились две различные отрасли - кремний для электроники и сложные полупроводники для фотоники. Эта ситуация существовала в течение многих лет, но теперь имеется большой толчок, чтобы объединить электронику и фотонику на одном кристалле. Для производителей это вполне сложная проблема.
Из многих исследуемых материалов в качестве партнеров для кремния для улучшения его электронную производительность, возможно, три материала имеют перспективы в краткосрочной перспективе.
Низкая подвижность электронных отверстий кремния является первой заботой. Небольшое количество германия уже добавлено для улучшения, но использование больших количеств или даже перемещение на полностью германиевые транзисторы будет еще лучше. Германий был первым используемым материалом для полупроводниковых приборов, так что на самом деле это движение «назад в будущее». Но обратное выравнивание установленной промышленности вокруг германия будет довольной курьезной проблемой для производителей.
Второй группой являются оксиды металлов. Диоксид кремния используется в транзисторах на протяжении многих лет, но с миниатюризации слоя диоксид кремния стал настолько тонким, что он начал терять свои изоляционные свойства, что привело к ненадежным транзисторам. Несмотря на использование редкоземельного диоксида гафния в качестве замены изолятора, продолжается поиск альтернатив с еще лучшими изолирующими свойствами.
Самые красивым, пожалуй, является использование так называемых полупроводниковых соединений, в частности тех, которые содержат индий, такие как арсенид индия и антимонид индия. Эти полупроводники имеют подвижность электронов в 50 раз выше, чем у кремния. В сочетании с германиевыми транзисторами, этот подход может обеспечить значительное увеличение скорости.
Тем не менее, все не так просто, как кажется. Кремний, германий, оксиды и III-V материалы являются кристаллическими структурами, которые зависят от целостности кристалла для обеспечения их свойств. Мы не можем просто бросить их вместе с кремнием и получить лучшее из обоих. Работа с этой проблемой несоответствия кристаллической решетки является основной технологической задачей, которая продолжается и до сих пор.
Несмотря на свои ограничения, кремниевые электроника оказалась гибкой, и может быть изготовлена в виде надежных, массовых устройств, доступных на рынке при минимальных затратах. Поэтому, несмотря на заголовки о «конце кремния» или впечатляющих (и иногда довольно нереалистичных) обещаний альтернативных материалов, кремний все еще будет находится на пике и, опираясь на огромную и очень хорошо развитую глобальную индустрию, не будет свергнут в течение нашей жизни.
Вместо этого прогресса в области электроники будет заключаться в улучшения кремния путем интеграции других материалов. Такие компании, как IBM и Intel, а также лабораторий по всему миру вложили время и усилия в это дело, и результаты являются многообещающими. Гибридный подход, который сочетает III-V материалы, кремний и германий может выйти на рынок в течение нескольких лет. Составные полупроводники уже нашли важные применения в лазерах, светодиодном освещении/дисплеях и солнечных батареях, где кремний просто не может конкурировать. Более продвинутые соединения будут необходимы по мере того, как электронные устройства станут все меньше и будут требовать меньше энергии, а также для мощной электроники, где ее характеристики являются значительным улучшением возможностей кремния.
Будущее электроники является ярким, и она по-прежнему будет в значительной степени основана на кремнии - но теперь этот кремний будет поставляться в различных видах.
|
