Алмазная реанимация закона Мура

в 12:55, , рубрики: закон Мура, исследования, Исследования и прогнозы в IT, развитие технологий, технические алмазы

diamond
Кремний, начиная с 1960 года, является самым популярным материалом для полупроводников, и его рыночная доля, по-прежнему, составляет 95%. Но использование кремния накладывает на отрасль несколько неразрешимых долгоиграющих проблем. Самая известная проблема, в народе известна под именем «Закона Мура». Это эмпирическое правило подчеркивает тенденцию к периодической миниатюризации и увеличению быстродействия электроники, физически ограниченную возможностями кремния. Закон Мура неоднократно пытались похоронить, но странным образом производителям удавалось продлить его действие. Не все знают, что Мур в 1965 вывел два закона. И как раз второй закон Мура является более серьезной проблемой. Он гласит, что затраты на производственные мощности, используемые для создания микросхем, растут быстрее, чем спрос на микросхемы.

Ранее расходы на организацию производства, хотя и были значительными, составляли незначительную часть всех затрат на производство и дистрибуцию электроники. В нынешних условиях затраты на новые производственные мощности могут достигать весьма значительных сумм, сравнимых с существенной частью всего рынка микросхем, в силу чего и возникает вопрос целесообразности дальнейшего финансирования. В то же время производители не готовы полностью отказаться от кремния, поскольку освоение нового материала занимает порядка десяти лет и требует больших финансовых вложений.

Еще более актуальной и видимой проблемой использования кремния является его нагрев. Исторически, управление тепловыми режимами кремниевых полупроводников всегда являлось большой проблемой электроники. Необходимые методы охлаждения, служащие основным источником энергетических потерь, оказались неэффективными. Промышленность требует альтернативу кремнию, которая позволит производить более мощные, быстрые, чистые (с меньшим количеством примесей) и менее нагревающиеся устройства. Эти качества способны предоставить алмазные полупроводники. Алмаз является подлинной альтернативой кремнию сегодня, причем как в качестве подложки для кремниевых структур, так и в качестве отдельной платформы полупроводниковых материалов.

Пока неповоротливые гиганты пытаются оттянуть неизбежный конец кремниевой индустрии, в кулуарах лабораторий и НИИ ученые вовсю эксперементируют с альтернативными материалами. Одним из которых является алмаз.
На протяжении нескольких десятков лет ученые исследуют этот материал и способы его искусственного изготовления.

Ранее проблема использования алмазов в электронике носила тройственную природу:

— Стоимость природных алмазов, благодаря политике монополиста De Beers, не желающего отпускать цены на рынке, очень высока.

Решение
Недорогое производство качественных синтетических алмазов решит эту проблему.

— На самом деле у нас вообще нет надежного источника больших и чистых камней. Ископаемые алмазы обладают разными электрическими характеристиками, что для массового рынка электроники, как вы понимаете не есть гут.

Решение
Начиная с 1950-х инженеры научились вырабатывать мелкие кристаллы для промышленного применения, а летом 2003 года на рынок попала первая волна искусственных алмазов ювелирного качества. Делать их научились две компании — Gemesis во Флориде и Apollo Diamond в Бостоне. На данный момент производство синтетических алмазов стремительно набирает обороты.

Американская компания Apollo Diamond, Inc. разработала и запатентовала метод выращивания чрезвычайно чистых алмазов ювелирного качества со структурой кристалла без изъянов, используя метод химического осаждения из газовой фазы (CVD). Этот метод CVD позволяет преобразовать углерод в плазму, которая затем осаждается на подложку в виде алмаза.

Список компаний производящих синтетические алмазы

— Над третьей проблемой ломали головы материаловеды всего мира. Чтобы сделать микросхему, нужны полупроводники p- и n-типа, а алмаз — естественный изолятор.

Решение
Чтобы обеспечить проводимость ученые вводили в кристаллическую решетку алмаза бор, который создает нужный тип проводимости p-типа. До некоторого времени никому не удавалось создать в алмазе проводимость n-типа, но в июне 2003 года прорыв был совершен. Ученые нашли способ инвертировать природную проводимость бора и создавать легированные бором алмазы n-типа. Таким образом, необходимая для производства микросхем p-n-пара разработана.

Существует еще одна неявная, и пожалуй самая опасная для отрасли проблема — корпорации, а точней их финансовые интересы. Здесь замечательным примером может послужить история с нефтяными лоббистами, долгое время вставлявшими палки в колеса разработчикам электрокаров.

В результате несложных логических построений понятно, что проблема эта не вечная, ведь электрокары постепенно набирают обороты, что прекрасно показывает нам компания Tesla. А значит и в этой сфере неизбежен прорыв.

Уже сейчас многие эксперты считают, что отрасль вступает в алмазную эпоху. Трудно подобрать известный природный материал со столь исключительными электронными свойствами, способный вывести различные отрасли промышленности на новый уровень производительности.

Почему вообще мы решили рассматривать алмаз в качестве исходного материала?

Алмазные полупроводники способны работать в условиях пятикратного превышения рабочих температур кремниевых устройств без ухудшения производительности. Они обладают большей величиной пробивного напряжения и более высокой теплопроводностью. Имеющиеся полупроводниковые приборы на основе алмаза, значительно превосходят подобные кремниевые образцы. Также использование новых полупроводниковых устройств способно подбросить топлива в, уже почти потухший, огонь закона Мура (миниатюризация и быстродействие, вы же помните).

В результате, рынок алмазных материалов для полупроводников может легко затмить, рынок кремниевых материалов, в частности карбида кремния, показавшего в прошлом году весьма значительный рост.

Природные и синтетические технические алмазы значительно отличаются по цене. Цена на природные алмазы колеблется в среднем от $1 за карат за алмазные осколки до $2,50 — $10 за карат за большую часть камней, хотя некоторые крупные камни продаются по цене до $200 за карат. Цена на синтетические технические алмазы меняется в зависимости от прочности частиц, размера, формы, кристалличности и отсутствия или присутствия металлических покрытий. Вообще, цены на синтетические алмазы для шлифования и полировки находятся в диапазоне от $0,40 до $2,00 за карат.

Future is here

Одним из перспективных направлений использования алмаза, как активного элемента микроэлектроники, является сильноточная и высоковольтная электроника. Использование алмазных полупроводников может помочь увеличить сроки службы аккумуляторных систем для широкого спектра устройств, включая телефоны, фотоаппараты и транспортные средства. Также автопроизводители уже присматриваются к их применению в модулях управления электромобилей.

Неоценимы возможности новых материалов в области производства компьютерных облачных серверов, использующихся в центрах обработки данных, которые потребляют огромное количество энергии чрезвычайно расточительным образом. Широкие возможности раскрываются для производителей бытовой электроники, от стиральных машин до телевизоров и цифровых камер. Что уж говорить о военной технике, которой на роду написано обладать высокими надежностью и производительностью и отвечать самым экстремальным условиям эксплуатации.

В результате индустрия алмазных полупроводников позволит значительно сократить энергетические расходы. Изменятся наши способности и возможности. Вопросы использования наших телефонов, лэптопов и других личных электронных устройств будут совершенно другими. Некоторые устройства, невозможные раньше, будут только еще изобретены.

В общем, вполне себе такие радужные рыночные перспективы, но вышеописанные проблемы, которые мы в основном решили, разбиваются на ряд меньших проблем, требующих решения и препятствующих немедленному широкому распространению данной технологии.

  • отсутствие доступных по цене пластин монокристаллического алмаза диаметром, пригодном для серийного производства приборов (>100 мм).
  • графитизация при температуре выше 600°С в присутствии кислорода и превращение в графит при 900°С.
  • трудности механической обработки (шлифовки, полировки) и проведения традиционных технологических операций (формирования областей p- и n-типа, диффузии, ионного легирования, «cухого» и «мокрого» травления), поскольку алмаз самый твердый и химически стойкий материал.
  • сложность контролируемого направленного легирования примесями p- и n-типа, которые уже при комнатной температуре полностью активизированы. Большинство исследованных примесей алмаза имеют очень глубокие примесные энергетические уровни, не позволяющие создавать приборы, стабильно работающие при обычных температурах.
  • отсутствие промышленной алмазной технологии.

Разработки приборов на синтетическом монокристаллическом алмазе ведутся на протяжении многих лет. Однако до их массового производства предстоит пройти еще длинный путь и решить целый комплекс научных и технологических проблем. Вместе с тем, на природных и синтетических монокристаллах алмаза уже удалось создать СВЧ-транзисторы, диоды Шоттки, «слепые» к солнечному свету фотоприемники, датчики рентгеновского излучения и т.п. Начало коммерческого выпуска приборов на этих материалах показывает, что главные технологические проблемы уже решены.

Все основные новаторские решения отрасли разработаны небольшими компаниями, такими как Apollo Diamond и AKHAN Technolgies. Многим из них необходимо достраивать к собственно технологии производства: инвестиции, менеджмент, производственную базу, особое промышленное R&D, специальный, заточенный под высокотехнологичные рынки маркетинг и прочее.

В свете всего вышенаписанного можно немного поспорить с моей предыдущей статьей, где Питер Тиль говорит о застое в техническом прогрессе.

P.S. Спасибо за внимание тем, кто смог дочитать этот опус.

Автор: jasiejames

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля