Самый совершенный в мире транзистор создают ученые из России

ЭкспертHi-Tech

Нитрид галлия идет на смену кремнию

Новый материал проникает во многие сферы электроники и имеет шансы стать главным полупроводником. Самый совершенный в мире транзистор создают ученые из России

Наталья Быкова

Пластина, покрытая нитридом галлия, перспективным материалом для микроэлектроники

Давние прогнозы о завершении эпохи кремния могут быть реализованы в ближайшие десять лет. SiliconTech достиг теоретического предела в гонке за мощностью и энергоэффективностью. Крупные игроки, а также многочисленные стартапы полупроводниковой отрасли проводят эксперименты с новыми элементами — карбидом кремния (SiC) и нитридом галлия (GaN). Приоритет, вероятно, будет отдан нитриду галлия. С точки зрения физики он обладает самым сильным козырем — наиболее широкой запрещенной зоной, то есть областью значений энергии, от которой зависит, насколько хорошо материал может проводить электричество. Этот показатель у него равен 3,4 эВ, тогда как у карбида кремния — 3,2 эВ, а у широко используемого кремния — всего 1,1 эВ. Это означает, что GaN-транзисторы способны пропускать через себя больший ток, при этом меньше нагреваясь в процессе работы и переключения по сравнению с кремниевыми аналогами. В зарядных устройствах телефонов, блоков питания ноутбуков и компьютеров подобное преимущество позволяет сохранять постоянные рабочие характеристики и не снижать эффективность при более высоких температурах. Да и в целом кристаллы нитрида галлия более устойчивы к воздействию экстремальных температур — они работоспособны при 300 °C с обычным воздушным охлаждением, тогда как предельная температура для кремниевых чипов не более 150 °C. В теории устройства на основе GaN могут работать в 20 раз быстрее и обеспечивают почти стопроцентный КПД. Подсчитано также, что при производстве GaN-транзисторов выбросы в атмосферу СО2 в 10 раз ниже, и если вся полупроводниковая промышленность перейдет на нитрид галлия, выбросы углерода сократятся на 2,6 Гт в год. По подсчетам Дэна Кинцера, соучредителя ирландской компании Navitas Semiconductor, одного из лидеров рынка альтернативных полупроводников, если к этому прямому экологическому эффекту добавить вклад GaN в создание более компактных, легких и энергоэффективных приложений, получится, что на каждый поставляемый чип нитрид галлия «экономит» 4 кг СО2 по сравнению с кремнием.

Для новой технологической индустрии, к которой стремится мир, — с «зеленой» энергетикой, электромобилями, связью 5G — этот материал подходит по всем параметрам. В том числе по себестоимости изготовления чипов. Если другие перспективные претенденты на роль «нового кремния» при ударных показателях работы слишком дороги в производстве, то нитрид галлия при определенных условиях может стать даже дешевле кремния. Устройства из него можно изготавливать на тех же заводах, что и кремниевые; чипы могут быть обработаны без дорогостоящего оборудования и специальных процессов. Упаковка для Si-устройств, защищающая их от загрязнения или короткого замыкания, часто может составлять половину их цены, для GaN-чипов такая защита не нужна, что значительно снижает их себестоимость.

Подложные инновации

Ответ на вопрос, почему производители микроэлектроники и силовой электроники до сих пор не перешли на использование нитрида галлия, тривиален. Теория по этой теме значительно опережает практику. Промышленное развитие GaNтехнологий, которые начали изучать еще в 60-х годах прошлого века, долгое время сдерживалось тем, что вырастить чистый кристалл нитрида галлия для его дальнейшего использования в качестве самостоятельной подложки оказалось крайне сложно. Долго не удавалось получить кристаллы нужного качества с размерами 150 мм и более, которые подходили бы для индустрии. В связи с этим в 70-е годы работы в США по этому направлению были свернуты, но продолжались в СССР и Японии.

Решение в итоге было найдено: нитрид-галлиевые транзисторы стали формировать в эпитаксиальных слоях, которые осаждали на подложки из других материалов. Интеграция GaN c другими структурами тоже технически сложная задача. Но в ней ученые преуспели. В качестве базы для чипов сегодня в основном используют карбид кремния. Его кристаллическая решетка подобна нитриду галлия, что позволяет уменьшить число буферных слоев и в целом упрощает создание гетероструктуры. Однако SiC сам по себе дорог, из-за чего стоимость транзистора оказывается сравнительно высокой. В последнее время были отработаны технологии, позволяющие создавать надежные и качественные гетероструктуры нитрида галлия на кремнии. Кремний существенно дешевле карбида кремния. Кроме того, он позволяет изготавливать пластины большего диаметра (до 200 мм), что также снижает себестоимость конечных устройств. Велика вероятность, что именно кремниевые подложки станут основной для GaN-транзисторов в наиболее широком применении в гражданской индустрии. Наука при этом продолжает успешно экспериментировать с другими подложками.

На рынке нитрид-галлиевые технологии уже представлены в отдельных продуктах. Впервые применять GaN стали 20 лет назад в лазерах для считывания DVD, которые позволили вмещать в пять раз больше информации, чем CD, и открыли дорогу телевизорам высокого качества. Затем появились легкие и компактные светодиодные лампы, обеспечившие пятикратное снижение потребления электричества от портативных и уличных фонарей и фар автомобилей. Далее — быстрые зарядки мобильных телефонов и блоки питания компьютеров, которые в разы превосходили своих кремниевых предшественников в мощности, компактности, легкости и энергоэффективности. В 2006–2007 годах практически все ведущие мировые электронные компании, так или иначе связанные с производством Si-компонентов, анонсировали инвестиции в GaN-tech. Первыми вышли на рынок японская Eudyna (сейчас Sumitomo Electric Industries) и южнокорейская RFHIC, позднее к ним присоединились Philips, Toshiba, Osram, NEC, Qorvo, NXP и др. Стремительно развиваются стартапы, за которыми охотятся лидеры.

Галлий — это легкий металл, который плавится в руке

Заряд для рынка

Взрывной рост рынка компонентов с нитридом галлия ожидается в секторе зарядных устройств. По данным TrendForce, к 2025 году, как раз к 60-летнему юбилею закона Мура, PowerGaN достигнут доли 52% в сегменте быстрой зарядки. Согласно исследованию Transparency Market Research, глобальный рынок зарядников на основе GaN к 2031 году вырастет еще на 40,3%; опережающие темпы при этом будет демонстрировать АзиатскоТихоокеанский регион, представленный Китаем, Южной Кореей, Японией и Тайванем. В отчете AllTheResearch прогнозируется, что к 2027 году объем рынка таких устройств превысит 5,2 млрд долларов. Драйвером роста станут зарядники мощностью свыше 100 Вт, хотя сейчас их доля не превышает 10%; подавляющее большинство уже закрепившихся на рынке зарядных устройств с нитридом галлия имеют мощность 55–65 Вт.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Против империи Против империи

Имам Шамиль — лидер, благодаря которому жил Северо-Кавказский имамат

Дилетант
Как посевной инвестор Анна Фан создала лучшее в мире портфолио из стартапов Как посевной инвестор Анна Фан создала лучшее в мире портфолио из стартапов

Анна Фан умеет разглядеть потенциал стартапа в самом начале его пути

Forbes
«Закладывается новая эпоха в мировых отношениях» «Закладывается новая эпоха в мировых отношениях»

Андрей Сушенцов о переговорах с США: «Добро пожаловать в реальность»

Эксперт
8 растений, которые можно подкармливать золой 8 растений, которые можно подкармливать золой

Почти всё, что нужно знать про одно из лучших и доступных удобрений

Популярная механика
Тайна форсажного пламени Тайна форсажного пламени

Что такое форсаж?

Популярная механика
В Сибирь по своей воле! Открываем новые маршруты В Сибирь по своей воле! Открываем новые маршруты

Отправляемся знакомиться с Тюменской областью

Лиза
Бот выходит на охоту Бот выходит на охоту

Торговля персональными данными российских граждан процветает

Эксперт
Принцесса Диана без короны и «случайный кадр»: что нужно знать о легендарном фотографе Патрике Демаршелье Принцесса Диана без короны и «случайный кадр»: что нужно знать о легендарном фотографе Патрике Демаршелье

Патрик Демаршелье снимал супермоделей и принцессу Диану, сотрудничал с Pirelli

Esquire
За урожаем из глубин За урожаем из глубин

На разных верфях страны бум рыбопромыслового судостроения

Популярная механика
Необычные напоминалки Необычные напоминалки

Эти напоминалки помогут тебе не сбиться с намеченного пути

Лиза
«Темные эмпаты»: что делает социопатов и нарциссов еще опаснее? «Темные эмпаты»: что делает социопатов и нарциссов еще опаснее?

Почему так опасно, когда люди наделены способностью считывать наши чувства?

Psychologies
Болезнь Крона: 11 симптомов, которые нужно знать Болезнь Крона: 11 симптомов, которые нужно знать

За последние 10 лет распространенность болезни Крона выросла в 6 раз

Популярная механика
Высокий «Пульс» Высокий «Пульс»

Эдуарду Нетылько удалось стать крупнейшим игроком фармацевтической дистрибуции

Forbes
Чтение на 15 минут: «Воображаемый враг. Иноверцы в средневековой иконографии» Чтение на 15 минут: «Воображаемый враг. Иноверцы в средневековой иконографии»

Как средневековые люди представляли себе Сатану и его приспешников?

Arzamas
Глава Flip Animation Studio — о спросе на российскую анимацию Глава Flip Animation Studio — о спросе на российскую анимацию

Глава Flip Animation Studio — как детские мечты становятся реальностью

РБК
Без Парка Горького и ВДНХ. Где погулять в Москве на майских — 5 небанальных маршрутов Без Парка Горького и ВДНХ. Где погулять в Москве на майских — 5 небанальных маршрутов

Нетипичные места для прогулок по Москве

СНОБ
5 продуктов, которые зарядят вас энергией: советы нутрициолога 5 продуктов, которые зарядят вас энергией: советы нутрициолога

Чтобы переключиться с энергосберегающего режима, нам требуется поддержка

Psychologies
Нейтральные атомы справились с решением оптимизационных задач Нейтральные атомы справились с решением оптимизационных задач

В отличие предшественников, авторский вычислитель оказался более стабильным

N+1
Для своих двоих Для своих двоих

Деформация стоп: как она может сказаться на здоровье и как ее избежать?

Лиза
Какие бренды одежды, обуви и часов носит Илон Маск Какие бренды одежды, обуви и часов носит Илон Маск

Сколько стоят одежда, обувь и аксессуары главы компаний Space X и Tesla

РБК
«Позолоченный век»: сериал о сильных женщинах из великосветских гостиных Нью-Йорка «Позолоченный век»: сериал о сильных женщинах из великосветских гостиных Нью-Йорка

«Позолоченный век» — костюмная драма об одноименной эпохе в истории Америки

Forbes
«Я не тот, кого родители хотели: в чем смысл моей жизни?» «Я не тот, кого родители хотели: в чем смысл моей жизни?»

Можно ли самому справиться с травмой отвержения

Psychologies
Зубы мудрости: удалять или нет? Зубы мудрости: удалять или нет?

Стоит ли избавляться от зубов мудрости или пусть себе растут?

Здоровье
Как не перекладывать ответственность за свои эмоции на других: 6 шагов Как не перекладывать ответственность за свои эмоции на других: 6 шагов

Как взять под контроль свои эмоции

Psychologies
Энеолитическим скотоводам из Предкавказья приглянулось овечье молоко Энеолитическим скотоводам из Предкавказья приглянулось овечье молоко

Молекулярные биологи провели исследование зубного камня у 45 древних людей

N+1
Белая кость и голубая кровь. Чем занимаются айтишники и почему государство сейчас дает им преференции Белая кость и голубая кровь. Чем занимаются айтишники и почему государство сейчас дает им преференции

Что это за специалисты и почему власть столь заинтересована в их деятельности?

Цифровой океан
Как строить карьеру в условиях неопределенности Как строить карьеру в условиях неопределенности

Когда рынок труда претерпевает изменения, многие задумываются о своей карьере

Psychologies
Без зубрежки: 5 захватывающих книг о математике Без зубрежки: 5 захватывающих книг о математике

Книги, написанные математиками об их любимом предмете

Популярная механика
Что испытывают люди с тревожным расстройством Что испытывают люди с тревожным расстройством

Взгляните на состояние постоянной тревоги изнутри

Psychologies
«Я записался в добровольческую армию» «Я записался в добровольческую армию»

Еврей-доброволец пишет письмо русским белогвардейцам в оккупированном Париже

Дилетант
Открыть в приложении