Он вам не силикон! Или почему кремний так сложно заменить / Offсянка

В конце 2019 г., в самый канун коронакризиса, ведущий мировой чипмейкер TSMC объявил о создании на Тайване нового НИОКР-центра, который специализировался бы на изучении всё тех же архивостребованных сегодня полупроводниковых структур — но уже на иных, помимо общеупотребительного сегодня кремния, основах. Возвести эту перспективную лабораторию (трудиться в которой должны были 8 тысяч одних только инженеров) предполагалось в научном парке города Синьчжу на северо-западе острова. Последующие события глобального масштаба — вспышка COVID-19, острый дефицит самых обыкновенных полупроводниковых микросхем в 2021 г., а вслед за тем и серьёзные проблемы с мировой экономикой в 2022-м (что выразились, в частности, во взлёте ставок рефинансирования ведущих центробанков мира до непривычно высоких значений, из-за чего многие амбициозные инвестиционные программы были свёрнуты, и не только в области микроэлектроники) — вынудили тайваньскую компанию скорректировать свои планы.

Элементарные полупроводниковые приборы прямиком из 1955 г., слева направо: фототранзистор, плоскостной транзистор и транзистор с точечным контактом (источник: AT&T)

И всё же запрос на отличную от стандартного для нынешней ИТ-индустрии кремния основу для полупроводниковых приборов не теряет своей актуальности. Напротив, чем ближе характерные физические размеры отдельных элементов СБИС (транзисторных затворов, металлических межсоединений) к единицам нанометров, тем острее проявляют себя несовершенства классических кремниевых полупроводников. Компенсируемые, правда, по меньшей мере двумя безусловными преимуществами: дешевизной и простотой организации массового производства. Преимуществами относительными, конечно, — лишь по сравнению с иными известными сегодня материалами. Но, с другой стороны, насколько же эти иные материалы могут быть привлекательнее старого доброго кремния в самых разнообразных отношениях!

⇡#Он вам не силикон

Химический элемент кремний (Si, атомный номер 14) относится к полуметаллам, или металлоидам, — промежуточным по своим свойствам между «истинными» металлами и неметаллами веществом. Это второй по распространённости на поверхности нашей планеты элемент — на него приходится 29,5% массы твёрдой земной коры (литосферы). С точки зрения полупроводникового производства кремний в кристаллическом виде особенно привлекателен сравнительной узостью запрещённых зон — иными словами, относительно небольшим количеством энергии, что необходимо приложить для отрыва единичного электрона с внешней оболочки атома и создания тем самым носителя электрического заряда в толще материала.

Кристаллическая решётка кремния: a) — общий вид, b) — в проекции на выделенную цветом плоскость (источник: Martin Luther University Halle-Wittenberg)

В одной из предыдущих статей на тему микроэлектроники мы уже рассматривали принцип работы МОП-транзистора на кремниевой основе. Всего в атоме кремния — 14 электронов, но 10 из них располагаются на внутренней и промежуточной оболочках, энергия выхода с которых слишком высока. А вот 4 электрона на внешней оболочке, сцепленные попарно ковалентными связями с такими же частицами на внешних оболочках соседних атомов, формируют прочную кристаллическую решётку — сохраняя вместе с тем потенциал для срыва с орбиты и превращения в свободные носители заряда.

Дело в том, что отрицательный электрон удерживает на месте (в составе нейтрального в целом атома) потенциальная энергия его связи с положительно заряженным ядром. И если вследствие совершенно естественных — для температур выше абсолютного нуля — тепловых колебаний некий электрон получит вдруг со стороны порцию энергии, величина которой окажется больше потенциальной энергии связи, он сорвётся с орбиты — и вместо положенного ему места в структуре кристаллической решётки окажется свободно дрейфующим в пространстве между её узлами (ионами кремния в данном случае) и рёбрами (прочими электронами, которые продолжают оставаться связанными).

Так вот, ширина запрещённой зоны — это и есть разность между минимальной энергией свободного электрона и максимальной энергией электрона в составе кристаллической решётки. Для каждого элемента или химического соединения, обладающего свойствами полупроводника, эта ширина своя. У кремния она составляет 1,12 эВ (электронвольт; единица энергии, равная произведению заряда единичного электрона на 1 В напряжения) при комнатной температуре; у германия она ощутимо ниже (примерно 0,7 эВ), у углерода (в кристаллической структуре алмаза, а не графита — это важный момент) — значительно выше; около 2 эВ. Иными словами, чтобы сорвать валентный электрон с внешней атомной оболочки в образце алмаза, необходимо создать поле с напряжением 2 В — это весьма значительная величина, если учесть, что объектом её приложения является одиночная элементарная частица.

Один из первых в мире транзисторов (источник: AT&T)

Поскольку вещества с меньшей шириной запрещённой зоны охотнее демонстрируют свойства полупроводников, нет ничего удивительного в том, что первый в мире транзистор — контролируемый малыми токами/напряжениями переключатель, способный разрешать/запрещать перемещение куда более крупного заряда по электрической цепи, — был создан как раз на основе германия. В 1947 г. в известных каждому инженеру-микроэлектронщику лабораториях Белла (Bell Laboratories) компании AT&T в Марри Хилл, штат Нью-Джерси, Уильям Шокли (William Shockley), Джон Бардин (John Bardeen) и Уолтер Браттейн (Walter Brattain) продемонстрировали функционирующий биполярный транзистор, за что в 1956 г., кстати, были удостоены Нобелевской премии. В отличие от МОП-транзисторов, десятками и сотнями миллиардов присутствующих в современных центральных, графических и иных процессорах, тот полупроводниковый прибор потому и назывался биполярным, что обеспечивал перенос сразу и отрицательно заряженных электронов, и по сути выступающих как носители положительного заряда «дырок» («пустых мест» на внешних оболочках атомов, что остаются после превращения одного из располагавшихся там электронов в свободный). Проводимость же в каналах МОП-транзисторов — строго либо электронная, либо дырочная.

⇡#Скандалы и генеалогия

Если говорить точнее, то Бардин и Браттейн на основе многолетних теоретических изысканий Шокли создали действующий транзистор с точечным контактом (point-contact transistor) как раз на основе германия, а затем уже их руководитель Шокли доработал предложенную схему до более практичного, простого в массовом производстве и эффективного биполярного транзистора. История зарождения микропроцессорной индустрии в актуальном, привычном для нас виде вообще довольно увлекательна и драматична — чего стоит одна только размолвка Шокли со своими подчинёнными Бардином и Браттейном, из-за которой оба последних в дальнейшем прекратили заниматься полупроводниками.

Укрупнённый снимок контактной группы первого транзистора с точечным контактом: два тонких золотых проводка подведены к блоку из германия, образуя на его поверхности собственно точечные контакты — исток и сток заряда; третий характерный для любого транзистора контакт, база (затвор, управляющий протеканием тока в канале), скрывается с обратной стороны германиевого блока (источник: AT&T)

Для Джона Бардина, впрочем, всё в итоге обернулось не так уж плохо — он занялся сверхпроводимостью и настолько преуспел в этой области, что в 1972 г. получил вторую в своей жизни Нобелевку по физике совместно с Леоном Купером (Leon Neil Cooper) и Джоном Шриффером (John Robert Schrieffer). Сам же Шокли, покинув AT&T, основал собственную Shockley Semiconductor Laboratory, однако как администратор проявил себя не с самой лучшей стороны. Следствием возникшей теперь уже в этом коллективе напряжённости стал выход из состава лаборатории сразу восьми ведущих сотрудников, которые в 1957 г. организовали собственное исследовательское предприятие — Fairchild Semiconductor. От которого уже, в свою очередь, со временем отпочковалось множество крупнейших компаний «Кремниевой долины» — включая Intel, AMD, Xilinx, Altera и LSI Logic, — собирательно известных как «Fairchildren». Кстати, она называется именно Silicon Valley, не Silicone; «кремниевой», а не «силиконовой»: silicon — это кремний, химический элемент с атомным номером 14, тогда как silicone — собственно «силикон», синтетический полимер на основе кремния и кислорода с различными иными добавками.

Так почему всё-таки «Кремниевой», а не «Германиевой»? Германий (Ge) с его атомным номером 32 располагается в Периодической системе элементов в IV группе, прямо под кремнием. Обладая дополнительным по сравнению с Si промежуточным электронным слоем, Ge на внешнем содержит те же самые 4 электрона — и потому в принципе способен образовывать подобные кремниевым структуры. Здесь важна оговорка «в принципе»: ширина запрещённой зоны для германия меньше как раз потому, что внешняя электронная оболочка располагается здесь дальше от атомного ядра. Но это вроде бы достоинство (нужно приложить меньшее напряжение, чтобы получить свободный электрон) оборачивается той неприятной особенностью, что обратные токи в германиевых полупроводниковых приборах чрезвычайно велики. Собственно, у идеально работающего диода — который по определению должен пропускать ток в прямом направлении и не пропускать в обратном — никакого обратного тока в принципе быть не может.

Однако у реальных полупроводниковых приборов он имеется, и чем легче сорвать электрон с внешней орбитали атома кристаллической решётки полупроводника, тем выше значение этого паразитного тока, — как раз по этой причине германиевые диоды и транзисторы ведут себя чрезвычайно капризно даже при незначительном перегреве. Мало того, теплопроводность германия значительно ниже, чем у кремния — 60,2 Вт/(м·К) против 149 в тех же единицах, — и потому охлаждать германиевые полупроводниковые схемы куда сложнее. И это только начало: перечислять трудности, возникающие при обращении с германием, можно долго.

Германий высокой степени очистки (источник: ESM Foundation)

Вдобавок получать его в кристаллическом виде с близкой к идеалу решёткой гораздо сложнее, чем кремний, да и сама добыча германиевого сырья — которое отнюдь не лежит повсеместно под ногами, в отличие от силиката SiO4 или кремнезёма SiO2, — представляет собой нерядовую задачу. Содержание этого элемента в земной коре не так уж и низко: около 0,0007%; на два порядка больше, чем, скажем, серебра, — того лишь 0,000007%. Но проблема в том, что в сколько-нибудь насыщенных месторождениях он не концентрируется, — приходится добывать его как сопутствующий продукт в ходе обогащения руд цветных металлов и даже сжигания угля. Да, чисто германиевые (либо использующие соединение германия и кремния) полупроводниковые приборы применяются в том числе и сегодня — однако в довольно ограниченных масштабах: кремнию в плане готовности к массовому производству попросту нет равных среди полупроводников.

Пользуясь высокой склонностью атомов кремния образовывать близкие к идеальным кристаллические решётки, микроэлектронщики без особого труда выращивают кристаллический кремний в виде огромных заготовок. Напомним, что стандартные сегодня для изготовления передовых СБИС кремниевые пластины, 300-мм в диаметре (а также перспективные 450-мм) получают поперечной нарезкой здоровенных цилиндров как раз искусственно выращенного (поли)кристаллического кремния, так называемых слитков (ingots). В результате основанная на кремнии полупроводниковая электроника оказывается отлично подходящей для массового и сравнительно недорогого производства — что с экономической точки зрения обеспечивает быстрый возврат инвестиций, получение значительной прибыли для вложения в новые НИОКР и планируемый (напомним, «закон Мура» на деле — самосбывающееся пророчество) темп прогресса в микроэлектронике.

Но раз всё с кремнием так замечательно, зачем же от добра добра искать?

⇡#Ради скорости

Вот, к примеру, выдающиеся полупроводниковые свойства демонстрирует арсенид галлия (GaAs) — химическое соединение галлия с мышьяком, тоже способное формировать кристаллическую структуру с достаточным количеством электронов на внешних оболочках. Ширина запрещённой зоны при комнатной температуре составляет для GaAs 1,42 эВ, что очень близко к значению для кремния, тогда как подвижность электронов (также при комнатной температуре) достигает у арсенида галлия 8500 см²/(В·с) — против примерно 1400 см²/(В·с) у Si. Подвижность электронов, напомним, характеризует готовность этих носителей заряда откликаться на приложенное извне электрическое поле. Чем выше подвижность электронов, тем меньше время задержки срабатывания полупроводникового прибора: для высокочастотных устройств материалы с низкой подвижностью носителей заряда попросту нет смысла применять.

Кристаллическая решётка арсенида галлия (источник: Wikimedia Commons)

В сочетании с несколько более широкой, чем у кремния, запрещённой зоной крайне высокая подвижность носителей заряда в GaAs делает этот полупроводник естественным выбором при создании приборов, работающих на предельно высоких частотах — вплоть до сотен гигагерц. Следует также отметить значительную радиационную стойкость арсенида галлия, из-за чего основанные на нём микросхемы предпочитают применять в космической отрасли, и способность его испускать при определённых условиях фотоны — что позволяет создавать на его основе светодиоды, полупроводниковые лазеры и микроволновые излучатели. Казалось бы, великолепная замена изрядно успевшему потрудиться в микроэлектронике за последние полвека кремнию.

На самом же деле готовность к сравнительно недорогому массовому производству — одно из важнейших качеств для любого полупроводникового материала в нынешних условиях, когда вычислительная техника распространена и применяется решительно повсюду. И вот по этому критерию GaAs вчистую проигрывает старому доброму Si: пластины-заготовки из арсенида галлия вследствие дороговизны получения этого вещества и специфики его физико-химических свойств обходятся примерно в пять раз дороже кремниевых того же диаметра. Кроме того, GaAs не образует оксида при взаимодействии с кислородом, в отличие от кремния (а значит, в ходе изготовления микросхем приходится подыскивать сторонние вещества для формирования изолирующих слоёв — тогда как на поверхности чистого кремния диэлектрическая оксидная плёнка образуется на воздухе сама собой); «слитки» арсенида галлия крайне хрупки и нуждаются в сверхосмотрительном обращении при механической обработке. Наконец, теплопроводность GaAs почти втрое хуже, чем у Si, и потому располагать элементы полупроводниковых схем на подложке из арсенида галлия поневоле приходится с куда бóльшими зазорами между ними, чем на кремниевой, — иначе перегрев в ходе работы, особенно на высоких частотах, неизбежен.

Первый полевой транзистор на основе арсенида галлия был создан в 1965 г. в США Карвером Мидом (Carver Andress Mead), и к настоящему времени технологии работы с ним достаточно развиты, чтобы обеспечивать приемлемую себестоимость GaAs-полупроводников для тех областей применения, в которых они продолжают оставаться востребованными, — в радиотехнике, при создании микроволновых установок, лазерных светодиодов и проч.: в частности, именно благодаря микросхемам на основе этого вещества в 1980-х приёмники системы глобального позиционирования GPS сделались действительно миниатюрными.

В публикации 2023 г. о промышленном выращивании «слитков» GaAs именно такой, 105-мм в диаметре, образец представляется как крупный — хотя до 300-мм кремниевого стандарта ему далеко (источник: IOG Semiconductor)

После кремния и германия арсенид галлия на сегодня — третий по применимости в мире полупроводниковый материал, что обусловлено не только его выдающимися электрохимическими свойствами (со всеми приведёнными только что оговорками), но и относительной дешевизной. Да, к настоящему времени исследователи работают уже с весьма широким спектром ещё более привлекательных в различных отношениях полупроводников, — однако все эти потенциальные заменители кремния обходятся в добыче, переработке и серийном производстве существенно дороже. Впрочем, порой эта дороговизна вполне себя оправдывает.

⇡#Зов синевы

Говоря о такой важной характеристике полупроводника, как подвижность имеющихся в нём свободных зарядов, мы до сих пор указывали только на подвижность электронов — тогда как, помимо них, в полупроводниковых системах присутствуют и дырки. В частности, обеспечивающие работу центральных и графических процессоров практически на всех современных ПК, серверах, смартфонах и прочих вычислительных системах кремниевые КМОП-транзисторы представляют собой, напомним, комплементарные (взаимодополняющие) пары транзисторов, каналы которых характеризуются электронной и дырочной проводимостью — n-МОП и p-МОП соответственно. У кремния подвижность дырок примерно втрое ниже, чем электронов; у германия — почти вдвое; у арсенида галлия эти величины различаются и вовсе более чем на десятичный порядок — 8500 и 400 см²/(В·с) для электронов и дырок соответственно. Именно по этой причине для КМОП-транзисторов GaAs почти не используют — этот материал оптимален для создания других разновидностей полупроводниковых приборов.

Первые кристаллы GaN, синтез которых в более или менее массовом масштабе начался в конце 1990-х, представляли собой, по сути, пыль (слева), но за два десятилетия инженеры и химики научились получать достаточно крупные и правильные гексагональные кристаллы характерной шириной более 50 мм (источник: Ammono)

Однако если подыскивать полупроводник, способный не просто заменить кремний, но обеспечить получение ещё более миниатюрных КМОП-транзисторов, работающих на более высоких частотах, лучше всего найти вещество с примерно равными подвижностями электронов и дырок, — чтобы работа комплементарных узлов n-МОП и p-МОП не рассогласовывалась. Строго говоря, задачу эту в определённом смысле решает внедрение в германиевую основу присадок (doping) в виде атомов кремния, но получающийся таким образом составной полупроводник резко снижает производительность своей работы (скорость перемещения свободных зарядов в канале) при разогреве. А значительного тепловыделения при функционировании на высоких частотах не избежать — всё-таки даже самые эффективные средства охлаждения отбирают тепло от корпусов микросхем, а не из их толщи.

К счастью, исследователи обнаружили целый ряд составных полупроводников, у которых разница между подвижностями электронов и дырок не так велика, как у кремния, — например, нитрид галлия (GaN): 1500 см²/(В·с) для первой, 850 в тех же единицах для второй. Это вещество заодно отличается высокой теплопроводностью, что упрощает охлаждение GaN-микросхем. Кстати, и с производственной точки зрения у нитрида галлия есть немалое преимущество: хотя выращивать его «слитки» ничуть не проще, чем для других составных полупроводников, тонкий слой GaN может быть получен методом осаждения на различных подложках — включая сапфировые и кремниевые. Таким образом, для создания СБИС на основе GaN подходит (с некоторыми модификациями производственного цикла, разумеется) стандартное для Si-микроэлектроники фотолитографическое оборудование, что заметно сокращает требуемые для перехода на GaN инвестиции.

Ширина запрещённой зоны для GaN, 3,4 эВ, в три с лишним раза превышает таковую для кремния — что позволяет создавать работоспособные транзисторы с пропорционально меньшей длиной затвора, сокращая тем самым их физические габариты и резко повышая плотность размещения транзисторов на единице площади микросхемы. Особенно хорошо полупроводниковые устройства на нитриде галлия проявляют себя в составе силовой электроники, предназначенной для работы с большими токами и высокими напряжениями. В частности, практически все устройства для «быстрой подзарядки» современных смартфонов, ноутбуков и прочих гаджетов показывают столь высокую энергетическую производительность именно благодаря GaN-элементам в их составе.

Макроснимок одного из первый серийных синих светодиодов (источник: Wikimedia Commons)

Макроснимок одного из первых серийных синих светодиодов (источник: Wikimedia Commons)

Ещё один существенный плюс GaN — в способности формировать при определённых условиях под затвором МОП-транзистора не трёхмерный, а по сути двумерный канал (two-dimensional electron gas, 2DEG), внутри которого заряженные частицы могут свободно двигаться лишь в двух измерениях, по ширине и длине, тогда как перемещение их по высоте жёстко ограничено. Такая структура канала препятствует утечке заряда и существенно увеличивает подвижность электронов: в одном из экспериментов в 2008 г. удалось довести эту величину до значения в 35 миллионов см²/(В·с), для чего применялась гетероструктура из GaN и алюминиево-галлиевого арсенида (AlGaAs). Другие составные полупроводники (compound semiconductors) с высокими значениями дырочной подвижности — карбид кремния (SiC), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb, соединение этого же металла с сурьмой) и т. д.

Интересно, что GaN-транзисторы имеют чрезвычайно важное для современной ИТ-отрасли значение и в отрыве от предполагаемой замены ими кремниевых структур в составе наиболее массовых СБИС. Именно нитрид галлия стал тем материалом, что позволил создать в 1992 г. первый в мире синий (с рабочей длиной волны 445-450 нм) полупроводниковый светодиод, а четыре года спустя — и синий лазер невысокой мощности, что навсегда изменило рынки как устройств цифрового отображения (появилась возможность создавать по-настоящему плоскопанельные LED-мониторы), так и хранения данных (приводы Blu-ray). За это изобретение инженер японской компании Nichia Chemicals Накамура Сюдзии (Nakamura Shuji) совместно с Акасаки Исаму (Akasaki Isamu) и Амано Хироси (Amano Hiroshi) получил в 2014 г. Нобелевскую премию по физике.

Пока налаживание поточного производства полупроводниковых МОП-структур на основе GaN представляет собой не самую простую задачу. Главное затруднение, которое на этом пути придётся преодолеть, — это создание таких МОП-транзисторов на базе GaN, которые не пропускали бы ток, когда напряжение на затворе равно нулю (enhancement type; n-МОП). Типичный же транзистор на базе нитрида галлия, напротив, реализует проводимость p-типа (depletion type) — когда напряжение на его затворе нулевое, ток через канал может проходить. Есть целый ряд идей, какие присадки использовать, чтобы создать хорошо масштабируемый по размерной шкале вниз полноценный КМОП-транзистор на основе нитрида галлия, но пока до готовности к применению в массовом производстве им далеко.

По сути, серьёзная работа с GaN как перспективным полупроводником стартовала лишь в начале 2000-х, так что направление это с инженерной точки зрения пребывает в откровенно зачаточном состоянии. Однако потребность в такой работе имеется, поскольку дальнейшее совершенствование чисто кремниевых технологий хотя и остаётся теоретически возможным, в плане практической реализации представляет собой всё более и более дорогостоящее удовольствие. Так что, возможно, ниже условного размерного порога «1 нм» микроэлектроника всё-таки уже будет полагаться в большей степени на нитрид галлия, чем на старый добрый кремний: время покажет!

Материалы по теме