Замена кремнию. Врата в новую эру микроэлектроники?

Не так давно Anker представила крошечный блок питания. По заверениям компании, столь малый размер устройства обусловлен компонентом, который был использован вместо кремния, а именно – нитридом галлия (GaN). Растущая популярность этого прозрачного, подобного стеклу материала, говорит о том, что скоро он может превзойти кремний и сократить потребление энергии во всем мире.

В течение многих десятилетий кремний был основой технологической индустрии, но мы «достигли теоретического предела того, насколько его можно улучшить», – говорит Дан Цин Ван, доктор наук из Гарварда, которая проводит исследования GaN. По ее словам, у всех материалов есть так называемая «запретная зона» – прямое следствие того, насколько хорошо они могут проводить электричество. У нитрида галлия она больше, чем у кремния, а значит он сможет выдерживать более высокое напряжение и ток сможет проходить через устройство с большей скоростью. Об этом рассказывает Мартин Кубалл, физик из Бристольского университета, который возглавляет проект по GaN в области энергетики.

"До недавнего времени карбид кремния оставался безальтернативным вариантом для высоко– вольтных (свыше 600 В) мощных приборов, где необходимы высокие эф– фективность, мощность, быстродействие и температура эксплуатации. однако в связи с решением технических проблем получения более деше– вых гетероструктур GaN-Si большого диаметра и толщины нитрид галлия не только вытесняет кремниевые приборы, но и становится альтернативой SiC в высоковольтных мощных приложениях. Универсальность примене– ния GaN в мощных полупроводниках, ИС, светодиодах делает его наиболее перспективным среди новых материалов микроэлектроники."

В результате, GaN намного эффективнее своих кремниевых аналогов, что также позволяет сократить и размеры устройств на его основе. С его помощью можно не только уменьшить зарядные устройства, но и заставить систему потреблять меньше энергии. По словам Кубалла, замена всей современной электроники на GaN может потенциально снизить энергопотребление на 10 или 25 процентов.

Кроме того, нитрид галлия лучше выдерживает высокие температуры, что позволяет использовать его в весьма агрессивной среде. «В современных автомобилях все электронные компоненты установлены далеко от двигателя, чтобы не перегреваться, но и это можно исправить», – говорит Кубалл.

Кстати, этот материал уже давно доминирует в другой области производства – в фотонике. В частности, именно нитрид галлия служит источником того самого «синего света», который используется для чтения Blu-ray дисков. Крошечные лазеры толщиной в микрон (1/100 толщины человеческого волоса) уже сейчас могут использованы для создания нового поколения микроскопов.

Так почему же нельзя просто заменить кремний на GaN? Ответ прост – колоссальная индустрия, десятилетие производящая технологии на кремниевой основе. Такой глобальный переход не может быть осуществлен в кратчайшие сроки. Кроме того, новый материал постоянно приходится тестировать на надежность. Ван отмечает, что у нитрида галлия есть и свои слабые места, и стоит исследовать их все, прежде чем запускать массовое производство носителей на нитридной основе.

Специалисты Anker уверяют, что хоть кремний и дешевле GaN, зарядным устройствам на базе последнего нужно меньше компонентов для полноценного функционирования, что уравнивает оба материала. В настоящее время многие стартапы работают над развитием этой технологии, а значит в 2020-е годы у человечества есть шансы выйти из кремниевой эры и войти в эру нитрида галлия.