Кремній, починаючи з 1960 року, є найпопулярнішим матеріалом для напівпровідників, і його ринкова частка, як і раніше, становить 95%. Але використання кремнію накладає на галузь кілька нерозв'язних довгограючих проблем. Найвідоміша проблема, в народі відома під ім'ям «Закону Мура». Це емпіричне правило підкреслює тенденцію до періодичної мініатюризації та збільшення швидкодії електроніки, фізично обмежену можливостями кремнію. Закон Мура неодноразово намагалися поховати, але дивним чином виробникам вдавалося продовжити його дію. Не всі знають, що Мур у 1965 вивів два закони. І якраз другий закон Мура є більш серйозною проблемою. Він говорить, що витрати на виробничі потужності, що використовуються для створення мікросхем, ростуть швидше, ніж попит на мікросхеми.
Раніше витрати на організацію виробництва, хоча і були значними, становили незначну частину всіх витрат на виробництво і дистрибуцію електроніки. У нинішніх умовах витрати на нові виробничі потужності можуть досягати досить значних сум, порівнянних з істотною частиною всього ринку мікросхем, в силу чого і виникає питання доцільності подальшого фінансування. У той же час виробники не готові повністю відмовитися від кремнію, оскільки освоєння нового матеріалу займає близько десяти років і вимагає великих фінансових вкладень.
Ще більш актуальною і видимою проблемою використання кремнію є його нагрів. Історично, управління тепловими режимами кремнієвих напівпровідників завжди було великою проблемою електроніки. Необхідні методи охолодження, що служать основним джерелом енергетичних втрат, виявилися неефективними. Промисловість вимагає альтернативу кремнію, яка дозволить виробляти більш потужні, швидкі, чисті (з меншою кількістю домішок) і менш нагріваючі пристрої. Ці якості здатні надати алмазні напівпровідники. Алмаз є справжньою альтернативою кремнію сьогодні, причому як в якості підкладки для кремнієвих структур, так і в якості окремої платформи напівпровідникових матеріалів.
Поки неповороткі гіганти намагаються відтягнути неминучий кінець кремнієвої індустрії, в кулуарах лабораторій і НДІ вчені щосили експериментують з альтернативними матеріалами. Одним з яких є алмаз.
Протягом декількох десятків років вчені досліджують цей матеріал і способи його штучного виготовлення.
Раніше проблема використання алмазів в електроніці носила потрійну природу:
- Вартість природних алмазів, завдяки політиці монополіста De Beers, який не бажає відпускати ціни на ринку, дуже висока.
Рішення
Недороге виробництво якісних синтетичних алмазів вирішить цю проблему.
- Насправді у нас взагалі немає надійного джерела великих і чистих каменів. Викопні алмази мають різні електричні характеристики, що для масового ринку електроніки, як ви розумієте не їсти гут.
Рішення
Починаючи з 1950-х інженери навчилися виробляти дрібні кристали для промислового застосування, а влітку 2003 року на ринок потрапила перша хвиля штучних алмазів ювелірної якості. Робити їх навчилися дві компанії - Gemesis у Флориді та Apollo Diamond у Бостоні. На даний момент виробництво синтетичних алмазів стрімко набирає обертів.
Американська компанія Apollo Diamond, Inc. розробила і запатентувала метод вирощування надзвичайно чистих алмазів ювелірної якості зі структурою кристала без вад, використовуючи метод хімічної облоги з газової фази (CVD). Цей метод CVD дозволяє перетворити вуглець на плазму, яка потім осаджується на підкладку у вигляді алмазу.
Список компаній, що виробляють синтетичні алмази
- Над третьою проблемою ламали голови матеріалознавці всього світу. Щоб зробити мікросхему, потрібні напівпровідники p- і n-типу, а алмаз - природний ізолятор.
Рішення
Щоб забезпечити провідність вчені вводили в кристалічну решітку алмаза бор, який створює потрібний тип провідності p-типу. До деякого часу нікому не вдавалося створити в алмазі провідність n-типу, але в червні 2003 року прорив був здійснений. Вчені знайшли спосіб інвертувати природну провідність бору і створювати леговані бором алмази n-типу. Таким чином, необхідна для виробництва мікросхем p-n-пара розроблена.
Існує ще одна неявна, і мабуть найнебезпечніша для галузі проблема - корпорації, а точніше їх фінансові інтереси. Тут чудовим прикладом може послужити історія з нафтовими лобістами, які довгий час вставляли палиці в колеса розробникам електрокарів.
У результаті нескладних логічних побудов зрозуміло, що проблема ця не вічна, адже електрокари поступово набирають обертів, що прекрасно показує нам компанія Tesla. А значить і в цій сфері неминучий прорив.
Вже зараз багато експертів вважають, що галузь вступає в алмазну епоху. Важко підібрати відомий природний матеріал з такими винятковими електронними властивостями, здатний вивести різні галузі промисловості на новий рівень продуктивності.
Чому взагалі ми вирішили розглядати алмаз як вихідний матеріал?
Алмазні напівпровідники здатні працювати в умовах п'ятикратного перевищення робочих температур кремнієвих пристроїв без погіршення продуктивності. Вони володіють більшою величиною пробивної напруги і більш високою теплопровідністю. Наявні напівпровідникові прилади на основі алмазу, значно перевершують подібні кремнієві зразки. Також використання нових напівпровідникових пристроїв здатне підкинути палива в, вже майже згаслий, вогонь закону Мура (мініатюризація і швидкодія, ви ж пам'ятаєте).
В результаті, ринок алмазних матеріалів для напівпровідників може легко затьмарити, ринок кремнієвих матеріалів, зокрема карбіду кремнію, що показав в минулому році досить значне зростання.
Природні та синтетичні технічні алмази значно відрізняються за ціною. Ціна на природні алмази коливається в середньому від $1 за карат за алмазні осколки до $2,50 - $10 за карат за більшу частину каменів, хоча деякі великі камені продаються за ціною до $200 за карат. Ціна на синтетичні технічні алмази змінюється залежно від міцності частинок, розміру, форми, кристалічності та відсутності або присутності металевих покриттів. Взагалі, ціни на синтетичні алмази для шліфування і полірування знаходяться в діапазоні від $0,40 до $2,00 за карат.
Future is here
Одним з перспективних напрямків використання алмазу, як активного елемента мікроелектроніки, є сильноточна і високовольтна електроніка. Використання алмазних напівпровідників може допомогти збільшити терміни служби акумуляторних систем для широкого спектру пристроїв, включаючи телефони, фотоапарати і транспортні засоби. Також автовиробники вже придивляються до їх застосування в модулях управління електромобілів.
Неоціненні можливості нових матеріалів в області виробництва комп'ютерних хмарних серверів, що використовуються в центрах обробки даних, які споживають величезну кількість енергії надзвичайно марнотратним чином. Широкі можливості розкриваються для виробників побутової електроніки, від пральних машин до телевізорів і цифрових камер. Що вже говорити про військову техніку, якій на роду написано володіти високими надійністю і продуктивністю і відповідати самим екстремальним умовам експлуатації.
В результаті індустрія алмазних напівпровідників дозволить значно скоротити енергетичні витрати. Зміняться наші здібності і можливості. Питання використання наших телефонів, лептопів та інших особистих електронних пристроїв будуть зовсім іншими. Деякі пристрої, неможливі раніше, будуть тільки ще винайдені.
Загалом, цілком собі такі райдужні ринкові перспективи, але вищеописані проблеми, які ми в основному вирішили, розбиваються на ряд менших проблем, що потребують вирішення і перешкоджають негайному широкому поширенню даної технології.
- відсутність доступних за ціною пластин монокристалічного алмазу діаметром, придатному для серійного виробництва приладів (> 100 мм).
- графітизація при температурі вище 600 ° С у присутності кисню і перетворення на графіт при 900 ° С.
- труднощі механічної обробки (шліфування, полірування) і проведення традиційних технологічних операцій (формування областей p- і n-типу, дифузії, іонного легування, «сухого» і «мокрого» цькування), оскільки алмаз самий твердий і хімічно стійкий матеріал.
- складність контрольованого спрямованого легування домішками p- і n-типу, які вже при кімнатній температурі повністю активізовані. Більшість досліджених домішок алмаза мають дуже глибокі домішкові енергетичні рівні, що не дозволяють створювати прилади, що стабільно працюють при звичайних температурах.
- відсутність промислової алмазної технології.
Розробки приладів на синтетичному монокристалічному алмазі ведуться протягом багатьох років. Однак до їх масового виробництва належить пройти ще довгий шлях і вирішити цілий комплекс наукових і технологічних проблем. Разом з тим, на природних і синтетичних монокристалах алмазу вже вдалося створити СВЧ-транзистори, діоди Ауд тки, «сліпі» до сонячного світла фотоприймачі, датчики рентгенівського випромінювання і т. п. Початок комерційного випуску приладів на цих матеріалах показує, що головні технологічні проблеми вже вирішені.
Всі основні новаторські рішення галузі розроблені невеликими компаніями, такими як Apollo Diamond і AKHAN Technolgies. Багатьом з них необхідно добудовувати до власне технології виробництва: інвестиції, менеджмент, виробничу базу, особливе промислове R&D, спеціальний, заточений під високотехнологічні ринки маркетинг та інше.
У світлі всього вищенаписаного можна трохи посперечатися з моєю попередньою статтею, де Пітер Тіль говорить про застій у технічному прогресі.
P.S. Дякую за увагу тим, хто зміг дочитати цей опус.
