Лучше кремния: ученые получили полупроводниковый материал с более совершенными характеристиками

    В силовой полупроводниковой электронике, как и во многих других областях полупроводниковой электроники, возможности кремния, основного полупроводникового материала, оказались практически исчерпанными. Поэтому ученые ведут интенсивный поиск материалов с новыми свойствами, которые позволили бы обеспечить качественный рывок в достижимых величинах напряжений и токов и рабочих температурах при сохранении высокой эффективности работы.

    Ключом здесь является переход к так называемым широкозонным материалам, в которых требуется сообщить электронам атомов очень большую энергию, чтобы они начали участвовать в переносе электрического тока. Чем больше ширина запрещённой зоны, тем более высокое напряжение можно приложить к контактам прибора, не вызывая электрического пробоя, и тем ближе можно расположить контакты, уменьшая сопротивление, а значит, электрические потери мощности, и тем при более высокой температуре устройство будет сохранять свою работоспособность.

    Ученые НИТУ «МИСиС», ФТИ им. А.Ф. Иоффе и компании «Совершенные кристаллы» продемонстрировали возможность изготовления нового материала и эффективного управления его свойствами с помощью дешёвой и экономичной технологии его выращивания. Материал является перспективной альтернативой кремнию в приборах силовой полупроводниковой электроники, области, имеющей дело с разработкой приборов и устройств, осуществляющих коммутацию, преобразование, усиление электрических сигналов с большими токами и напряжениями, т.е. с большой мощностью. Материал позволяет работать с более высокими напряжениями, при более высоких температурах, с меньшими потерями мощности.

    shutterstock-1221815014-picture

    Последние примерно двадцать лет прошли под знаком перехода в силовой электронике от кремния с шириной запрещённой зоны 1,2 эВ и электрическим полем пробоя 0.3 МВ/см к карбиду кремния SiC и нитриду галлия GaN c запрещённой зоной 3,3-3, 4 эВ и электрическим полем пробоя большим в десять раз, около 3 МВ/см. Но даже такое увеличение критического поля, вызывающего пробой, оказывается недостаточным для всё возрастающих требований к силовым приборам в современном мире.

    В настоящее время наибольшее внимание ученых привлекает оксид галлия, Ga2O3, существующий в нескольких кристаллических модификациях- политипах, среди которых важнейшим является стабильный политип β-Ga2O3 с шириной запрещённой зоны 4,8 эВ и полем пробоя 8 МВ/см. Однако и другие, менее стабильные политипы, в частности, α-Ga2O3, также заслуживают внимания и изучения, потому что их запрещённая зона ещё больше (5,2 эВ для α-Ga2O3), кристаллическая структура более симметрична, такие плёнки можно растить на очень дешёвых и высокосовершенных подложках сапфира с той же кристаллической структурой, что и α-Ga2O3, а наличие большого количества родственных окислов металлов с той же структурой и интересными свойствами позволяет создавать разнообразные полезные комбинации.

    К сожалению, выращивание совершенных плёнок α-Ga2O3и нахождение подходящих легирующих примесей, которые позволили бы управлять проводимостью плёнок в широком диапазоне, представляет трудную задачу. Её решению посвящено совместное исследование группы учёных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе и компании «Совершенные кристаллы» в Санкт-Петербурге и группы в НИТУ «МИСиС» в Москве.

    Петербургская часть коллектива, руководимая профессором Владимиром Николаевым, руководителем лаборатории физики профилированных кристаллов, сумела вырастить толстые плёнки α-Ga2O3с достаточно высоким структурным совершенством и ввести в плёнки примесные атомы олова, поставляющие электроны и изменяющие проводимость плёнок в очень широких пределах. Рост проводился с помощью метода галоидной эпитаксии, ранее широко использовавшегося в данной лаборатории для получения и легирования совершенных кристаллов и плёнок нитрида галлия и твёрдых растворов на его основе. Такие структуры широко используются для создания мощных светодиодов и лазеров, полупроводниковых выпрямителей, мощных транзисторов на основе InGaAlN. Легирование плёнок α-Ga2O3 оловом в процессе выращивания осуществлялось с использованием паров летучих солей олова.

    В московской группе исследователей под руководством заведующего лабораторией широкозонных материалов и приборов, профессора Александра Полякова из приготовленных плёнок были сделаны тестовые диодные структуры и подробно изучены электронные свойства материала, а также электронная структура имеющихся в нём примесей и дефектов. Свойства оказались похожими на свойства, изученные ранее для стабильного политипа β-Ga2O3. Полученные результаты вселяют оптимизм касательно перспектив использования α-Ga2O3в силовых приборах, хотя ещё потребуется провести очень серьёзные дополнительные исследования, чтобы повысить стабильность материала и улучшить его характеристики и их воспроизводимость.

    Статья о разработке опубликована в журнале APL Materials.
    НИТУ «МИСиС»
    Номер один в России по материаловедению

    Комментарии 55

      +4
      Картинка с процессором напомнила: image
        +2
        Сила кремния — в его технологичности. Если его нагреть, на нем образуется плотная, тонкая, равномерная, хорошо сцепленная с поверхностью пленка оксида. Эта пленка — почти идеальный электрический изолятор и хорошо защищает кремний от легирующих примесей. Эту пленку можно легко стравить плавиковой кислотой, не повреждая кремний. Для Ga2O3 есть аналог окиси кремния?
          +1
          Почти наверняка нету, как и у GaAs. В итоге транзисторы приходится делать не MOS-типа, как у кремния, а Junction. Отсюда низкая экономичность, большой (сравнительно) входной ток, сложное питание (в цифровых применениях). Все это делает производство СБИС просто невозможным.
            0

            Галлий — аналог алюминия. Вероятно — его окисел достаточно прочен.
            http://n-t.ru/ri/ps/pb031.htm

              0
              Так мы сейчас и говорим про оксид галлия как основной полупроводниковый материал)
                0

                И я примерно о том. Нарастили слой изолятора, отлегировали до полупрводника, накрыли чистым слоем изолятора.

              0
              Сила кремния как раз в его дешевизне и доступности. Он просто под ногами валяется. Впрочем как и алюминий (но он к теме не относится). Остальные полупроводники достаточно редкоземельны. В том числе первопроходец германий. Но есть еще круче вариант — углерод. Вернее его объемные модификации — графен и трубки.
              Углерод, кстати, очень похож на кремний. Недаром кремний рассматривают как еще одну основу жизни.
              А когда надо клепать миллионы тонн электроники каждый год, сырье должно быть доступным, а не находиться только на китайской территории.
                0
                Уже довольно давно слушал лекцию специалиста в этом вопросе. Кремний не может быть основой жизни. У него не хватает разнообразия соединений. Углеродная органика даёт практически бесконечное их количество, а у кремния возможны всего сотни тысяч, и этого мало для формирования жизни на его основе.
                  0

                  Может быть это зависит от среды? Температуры, давления.

                    +1
                    Нет, просто химия. Рост температуры и давления не способствуют образованию замысловатых молекул.
                      0

                      Не скажу конкретно за кремний, но у А. Оганова есть довольно объёмные исследования по поиску и синтезу материалов, невозможных в "обычных" условиях. В двух словах — химические и физические свойства материала могут сильно меняться при других температуре/давлении. К примеру, натрий при давлении порядка 100М атмосфер превращается в полупрозрачный диэлектрик. Поищите на ютубе по ключевым словам "Запрещённая Химия".


                      EDIT: Всё же вставлю ссылку Артем Оганов. "Запрещённая" химия, или как школьные двоечники оказались правы"

                        0
                        Я специально оговорился насчёт замысловатых молекул. При таких давления и температурах можно получить какие-то интересные кристаллические структуры из простых атомов или молекул. А жизнь, это про молекулы с молярной массой в тысячи-миллионы а.е.м. Совсем в другую сторону.
                        0
                        Рост нет, а снижение?
                          0
                          Давление в данном случае не важно (оно интересно только для того, чтобы «заставить»). При снижении температуры нет движения, всё резко начинает твердеть. И вообще, оксид кремния твёрдый, в отличие от углекислого газа, уже не подышать. Вот тут пишут примерно то, что я уже писал выше. Более оптимистичным выглядит включение отдельных фрагментов кремния. Там же описаны и другие альтернативы, но у всех есть проблемы.
                  0

                  Вот что важно! Материалы много. И многие из них лучше кремния как полупроводники. Но полупроводник, это далеко не все. И даже не самое важное. Маски и изоляторы — вот что важно. Я постоянно читаю, еще с 20-того века кстати, что вот-вот и сделают процессоры на арсениде галлия. И они будут о-го-го как быстры. Ну не сделают.

                    0
                    Так Ga2O3 не как замена кремния в СБИС планируется, а как замена в силовых приборах. В статье даже явно заявлены карбид кремния и нитрид галлия как конкуренты. В силовых применениях во-первых, можно обойтись без оксида, сделав JFET или HEMT, а во-вторых, можно воспользоваться гетерооксидом, как пользуются SiO2 и Al2O3 в транзисторах на SiC. Все равно же итоговый прибор наверняка будет сложной гетероструктурой. Или даже может быть можно использовать сам Ga2O3, он в нелегированной виде почти изолятор. Подтекать через затвор, конечно, будет, но в силовых транзисторах это может быть приемлемо.
                      0
                      Но как нанести нелегированную окись на легированную? Да так, чтобы примеси из легированных областей в нее не продиффундировали в течение всех последующих техпроцессов? А еще ее надо наносить селективно и, желательно, селективно удалять. В общем, в полупроводниковых приборах технологические свойства оказываются важнее электрических.
                        0
                        нелегированную окись на легированную?
                        Эпитаксией скорее всего. А ещё можно попробовать легировать только на глубине, не трогая приповерхностный слой. Селективность не проблема, на то фотолитография есть. В кремниевой технологии достаточно примеров того, как делаются аналогичные операции, и принципиальных технологических ограничений я не вижу.
                          +1
                          Здесь бы передать обсуждение в надежные руки полупроводниковых технологов!
                          Насколько я знаю, селективное легирование выполняется следующим образом:
                          1. кристалл окисляют с поверхности, нагревая в воздухе с добавкой ~5% водяного пара.
                          2. наносят, экспонируют и проявляют фоторезист.
                          3. с незащищенных участков стравливают SiO2 при помощи HF
                          4. проводят легирование. При этом оставшийся SiO2 служит маской
                          5. стравливают остатки SiO2

                          Как видите, здесь окись кремния играет ключевую роль. А также то, что кремний стоек к плавиковой кислоте, в отличие от его окиси. А защищать чисто фотолитографическим слоем при легировании вряд ли получится. Температуры высокие, полимер не выдержит. Но, как я уже сказал, здесь слово за технологами.
                            +1
                            Если бы ваш аргумент был справедлив, то не существовало бы инткгрльаных схем на материалах A3B5. Однако же, они существуют.
                    –1
                    Ну так а какие свойства то обнаружены? Хоть какие-то цифры?
                      0
                      Так в статье есть цифры:
                      важнейшим является стабильный политип β-Ga2O3 с шириной запрещённой зоны 4,8 эВ и полем пробоя 8 МВ/см. Однако и другие, менее стабильные политипы, в частности, α-Ga2O3, также заслуживают внимания и изучения, потому что их запрещённая зона ещё больше (5,2 эВ для α-Ga2O3),
                        0
                        Это же во вводной части статьи. А что конкретно вот эти исследователи получили — нету.
                        А про ширину зоны как бы еще несколько лет назад были исследования.
                          0
                          Так сказано тоже. Смогли получить стабильные пленки и легировать их, сохранив стабильность материала.
                            0
                            Ну вот смотрите, 2012й год. journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/4960
                              0
                              В статье по ссылке не сказано, пленки какой модификации были получены.
                              В зависимости от условий получения пленки
                              Ga2O3 могут быть изоляторами или полупроводниками.
                              Пленки, выращенные в окислительной атмосфере, как
                              правило, обнаруживают диэлектрические свойства.
                                0
                                Да, и в этой тоже не сказано.
                                Это вводная часть(что вообще в науке творится)
                      0
                      хотя ещё потребуется провести очень серьёзные дополнительные исследования, чтобы повысить стабильность материала
                      Не так трудны первые 80% работы, как оставшиеся 80% (с)
                        0
                        С такой шириной запрещенной зоны, практически невозможно легировать p-типом. Плюс, рост на сапфире. Короче всё это чисто академический или очень узкоспециальный интерес.
                          0
                          Очень узкоспециальный интерес? Миллиардный рынок силовых транзисторов?
                            0

                            Это разве что только для военных, они всё равно деньги не считают. Вот я представляю с десяток таких силовых транзисторов в бюджетном электромобиле. И он сразу начинает стоить, как реактивный истребитель. Это одна проблема для миллиардного рынка. А вторая тоже достаточно банальна, а сырья то хватит на этот миллиардный рынок? Специфика редкоземельных элементов — добычу их невозможно наращивать линейно в зависимости от состояния рынка. Сколько наскребли — столько и будет. А надо больше — просто начнет расти в цене.

                              0
                              Кхм, свежая Тесла — характерный пример применения транзисторов из карбида кремния в индустрии. 24 штуки, если мне память не изменяет.
                              VW, Nissan, Renault — уже публично объявляли о подписании контрактов с поставщиками SiC. Зарядки для мобильников на GaN уже на АлиЭкспресс задешево. Кремний в силовой электронике скоро умрет.
                                0

                                В карбид кремния в качестве массового полупроводника — верю. А вот в любые соединения галлия — нет. Главный его поставщик — производство алюминия, где он является побочным выходом. Ну вот не верю я в то, что производство алюминия в ближайшем будущем увеличится в разы. А значит, либо галлия будет катастрофически не хватать, и это будет повод выкатить на него астрономические цены (а он и сейчас недешев), либо он так и останется забавной игрушкой.
                                В СВЧ технике — да, там его применение скорее всего оправдано, там вес и размеры небольшие. А вот в силовой электронике, где размеры сплошь в сантиметрах и вес в килограммах, и это ещё мягко сказано, все эти прикольные редкоземельные элементы просто не приживутся.

                                  0
                                  Нитрид галлия, DC/DC в зарядниках для мобильников. Огромные тиражи. Тот же нитрид галлия, базовые станции 5G на очень много Ватт. Огромные тиражи. И это только два применения, которые уже стали массовыми.
                                  Я не вижу причин, по которым у окисла галлия не может быть объемов производства, сравнимых с нитридом галлия. Особенно с учётом того, что их рыночные ниши пересекаются, а значит часть галлия вместо нитрила может пойти на оксид.
                                    0

                                    Что-то я устал спорить, жарко на улице, солнышко, пойду лучше искупаюсь.
                                    Что в DC/DC в зарядниках, что СВЧ выходной каскад в БС — это крохотные кристаллы в миллиграммы весом. Сколько силовых транзисторов с кристаллом весом хотя бы по 100-200 грамм можно произвести в мире, если годовое производство чистого галлия в мире не превышает 500 тонн? Задачка для третьеклассника. И нет, нельзя взять, и просто увеличить добычу.
                                    Это я ещё молчу про то, что 80% всего производимого галлия производится в Китае, и обычной тактикой Китая в этом вопросе является сначала сырьевой демпинг для создания емкого рынка и общемировой потребности в сырье, а потом резкое увеличение пошлин и введение экспортных квот. А потом внезапно буквально весь мир начинает зависеть от работы пары заводов в Китае.

                                      0
                                      Сколько силовых транзисторов с кристаллом весом хотя бы по 100-200 грамм
                                      На это вам даны гетероструктуры. Как сейчас GaN делают на подложках из Si и SiC, так и с Ga2O3 наверняка будет сходная история. Кроме того, даже в случае монолитных приборов, одна из главных выгод новых материалов — как раз уменьшение объема материала, необходимого для реализации нужного блокирующего напряжения.
                                        0

                                        А, я понял. Вы просто не понимаете разницы между транзистором 100Вольт/20Ампер (некоторые почему-то уверены, что это очень "силовой" транзистор" ) и реальными промышленными силовыми транзисторами. Типа 25килоВольт/5000Ампер. Обычный такой транзистор для силовых установок электровоза, или где-нибудь в эскаваторе.
                                        Вся эта движуха затевается ради одного — пробойного напряжения. Очень сложно изготовить обычный кремниевый транзистор, который держит 25 киловольт. Он получается просто громадных размеров. Вот и ищут кремнию замену.

                                          0
                                          Реальные промышленные силовые транзисторы — это и 45В/2А, и 25кВ/5кА. У всех их есть свои применения и рыночные ниши. Прямо сейчас рыночные ниши кремния активно занимают SiC и GaN. SiC в том числе в электровозах и даже в электростанциях. Насколько там приживутся сложные соединения редких компонентов — интересный вопрос без точного ответа, но вы зря с порога говорите «нет».
                                            +1

                                            Как нишевые решения для решения какого-то очень узкого класса задач — вполне. Как массовое производство — вряд ли, просто банально не хватит сырья. Это как рутениевые жаропрочные сплавы — на изготовление десятка разгонных блоков космических аппаратов в год его точно хватит, а вот чтобы потеснить традиционные жаропрочные стали в авиации — однозначно нет. Поэтому никто и не пытается.

                                            0
                                            Типа 25килоВольт/5000Ампер
                                            А киньте пожалуйста ссылку на такой транзистор. Любопытно посмотреть.
                                          0
                                          если годовое производство чистого галлия в мире не превышает 500 тонн?
                                          Тут важно понимать, что здесь причина, а что — следствие. Возможно, мировое производство ограничено 500 тоннами только потому, что этот металл нигде кроме минимального количества полупроводниковых элементов не используется?
                                            +1

                                            Нет, просто нет в мире "месторождений галлия". Это рассеянный элемент, и наиболее эффективная технология его добычи — как сопутствующий продукт при производстве алюминия. Он очень похож на него по свойствам, поэтому в минералах типа бокситов его проще всего найти и выделить.
                                            А вот используется галлий очень широко — вот прямо сейчас Вы смотрите на свет, производимый кристаллами арсенида галлия. Если, конечно, у Вас не АМOLED монитор или древний TFT с люминесцентной лампой. И львиная доля его добычи уходит на производство светодиодов.

                                              0
                                              Простите, что именно «нет»? Как из того, что в мире нет месторождений галлия следует, что его выпуск ограничен какими-то внешними причинами, а не реальными потребностями промышленности?
                                                0

                                                Добыча всех редких и рассеянных элементов ограничена внешним фактором — редкостью и рассеянностью. Рутений или гадолиний (и их сплавы) тоже обладают просто потрясающими свойствами, и будь их побольше, активно использовались бы промышленностью, но при годовой добыче в десяток тонн как-то странно рассматривать возможность массового использования. А цены на них, кстати, вполне сопоставимы с ценой на галлий.
                                                Но на космос хватает, поэтому, к примеру, в космической технике они достаточно широко используются.

                                                  0
                                                  Добыча всех редких и рассеянных элементов ограничена внешним фактором — редкостью и рассеянностью
                                                  Вы же сами говорите, что галлий — сопутствующий продукт производства алюминия. А алюминий — крупнотоннажный продукт. Сколько галлия содержится в алюминиевых рудах?
                                                    0

                                                    Обычно 3-5 грамм на тонну. Но есть несколько месторождений бокситов, где содержание галлия доходит до килограмма на тонну. Правда, есть нюанс, сегодня с месторождение пришло тысяча тонн боксита, в котором килограмм на тонну, его извлечение экономически оправдано, а завтра — 100 грамм на тонну, и такую руду никто даже не станет пускать на обогащение, экономически нецелесообразно. Но как алюминиевая руда, и первый боксит, и второй — вполне себе годятся для переработки. Чтобы кратно увеличить производство галлия, потребуется кратно увеличить производство алюминия (ну или "ненужные" бокситы вываливать на свалки, что мне представляется маловероятным)

                                                      0
                                                      Скажите, а вот например двадцать лет назад, до повсеместного внедрения белых светодиодов, какова была общемировая добыча галлия?
                                                        0

                                                        Поправка — до изобретения светодиодов вообще. Белый он, или нет, на результат не влияет. (смотри уже не знаю куда, АЛ102, светодиод разработки СССР, еле-еле светил красным цветом). Добыча была примерно в пять раз ниже. И что это доказывает? Что Китай (который алюминия производит ровно в 10 раз больше, чем Россия) в состоянии наладить побочное производство галлия даже себе в убыток, чтобы в среднесрочной перспективе выйти в плюс? (пару лет подряд китайцы так и делали) В любом случае перспективы роста объемов производства ограничены. Добыча золота тоже растет, особенно если взять срок в 200-300 лет. Но золотых унитазов так массово и не появилось.

                                                          +1
                                                          Поправка — до изобретения светодиодов вообще
                                                          Нет, без поправки, пожалуйста. После изобретения светодиодов вообще, но до вышеуказанного события.
                                                          Добыча была примерно в пять раз ниже. И что это доказывает?
                                                          Это показывает, что если бы эта дискуссия имело место быть двадцать лет назад, вы точно так же отрицали бы возможность использования светодиодного освещения, просто на основании того, что «во всех аптеках города не хватит бензина для заправки автомобилей» (с)
                                                            +1

                                                            Кстати, да, отличный аргумент. Галлия вот прямо сейчас уже не хватает для более активного использования светодиодов в освещении. Банально не хватает для уже "традиционного" его применения. Только вот один хороший силовой транзистор — это по весу сотни тысяч светодиодов. С другой стороны, частотный преобразователь для электровоза стоит столько, что на недополученную прибыль от светодиодных панелей, которые могли бы быть произведены вместо галлиевой силовой электроники, можно смело наплевать. Если рассматривать вопрос с этой стороны, то да, тут прогресс не остановить :)

                                                              0
                                                              Галлия вот прямо сейчас уже не хватает для более активного использования светодиодов в освещении.
                                                              Как это выглядит? Вы приходите в магазин, а вам говорят что светодиодные лампы закончились, и запись на февраль? Как вы определили, что галлия не хватает?)
                                                                +1
                                                                И вы, кстати, хотели выше привести пример транзистора на 25кВ 5кА. А то у меня было возникло подозрение, что кто-то путает транзисториы и тиристоры, хочу убедиться, что это я, а не вы.
                                0
                                прорывы в полупроводниках обьявляются так же часто, как и в аккумуляторах.
                                но по факту, что то не заметно революции.
                                Была серьёзная надежда на алмазные п/п, прямо все, завтра кремний заменим полностью… и тишина.
                                  0

                                  А ещё раз в год случаются прорывы в повышении КПД солнечных батарей.
                                  Не так давно "российские ученые" (с) тоже нашли новый перспективный материал для солнечных панелей на основе иттербиевых стекол, если я ничего не путаю. И тоже подавалось как революция и что скоро мы будем просто завалены СЭС нового типа. Про то, что годовая добыча иттербия не превышает 50 тонн, как-то скромно умалчивалось.

                                    0
                                    С алмазом есть прогресс, хоть он и гораздо медленнее, чем хотелось бы. А вот SiC и GaN вполне реально уже потеснили кремний в массовых продуктах. И до алмаза такими темпами очередь такт дойдет.

                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                  Самое читаемое