Открытие полупроводника с характеристиками, намного превосходящими кремний

Химия

23.07.2022

1 553 2 минут чтения

Если бы не было полупроводников, не было бы и цифровых технологий (компьютеров, смартфонов, игровых приставок и т.д.). Кремний является наиболее коммерчески используемым полупроводниковым материалом благодаря его природному изобилию и низкой стоимости обработки. Однако его полупроводниковые свойства далеки от идеальных, и в условиях дефицита, вызванного пандемией COVID-19, многие ищут альтернативы. Недавно группа ученых из Массачусетского технологического института показала, что материал, известный как кубический арсенид бора, заполняет пробелы в кремнии и, вероятно, является лучшим полупроводником из известных на сегодняшний день. Следующий шаг — найти практичные и экономичные способы его изготовления.

Полупроводник — это материал, который в чистом виде не проводит электричество, но становится таковым после специальной обработки, называемой легированием.

Эта полупроводниковая проводимость достигается путем введения примесей, путем N-допирования (для отрицательных, когда электроны добавляются) или P-допирования (для положительных, когда электроны удаляются): это увеличивает проводимость полупроводников.

Такая обработка применяется в случае кремния, который является основой фотоэлектрических элементов, составляющих солнечные батареи. Электропроводность полупроводника занимает промежуточное положение между электропроводностью металлов (хороших проводников) и изоляторов. В компьютерах несколько полупроводников располагаются в цепочку, чередуя N-допирование и P-допирование, что позволяет электронам переходить от одного к другому. Электроны N-допированного полупроводника заполняют «дыры», оставленные P-допированием другого полупроводника.

Однако хотя кремний широко используется, его свойства не идеальны. С одной стороны, хотя он легко пропускает электроны через свою структуру, он гораздо менее приспособлен к дыркам (P-допирование), что затрудняет прохождение электронов. Эти два свойства важны для определенных типов микросхем. Кроме того, кремний не очень эффективно проводит тепло, поэтому в компьютерах часто возникают проблемы с перегревом и дорогостоящими системами охлаждения.

Недавно группа исследователей из Массачусетского технологического института, Университета Хьюстона и других учреждений продемонстрировала, что кубический арсенид бора преодолевает оба этих ограничения. Он обладает высокой подвижностью для электронов и дырок и отличной теплопроводностью. Работа опубликована в двух одновременных статьях в журнале Science.

Настоящее исследование опирается на результаты предыдущих исследований, включая работу Дэвида Бройдо, соавтора новой статьи. Последний теоретически предсказал, что кубический арсенид бора будет обладать высокой теплопроводностью, почти в 10 раз превышающей теплопроводность кремния. Кроме того, команда Чена в 2018 году выдвинула гипотезу, что он обладает очень высокой подвижностью для электронов и дырок, «

что делает этот материал действительно уникальным«, — поясняет Чен в своем заявлении. Он добавляет: «Это важно, потому что, конечно, в полупроводниках мы имеем эквивалентные положительные и отрицательные заряды. Поэтому, если вы создаете устройство, вы хотите иметь материал, в котором электроны и дырки перемещаются с меньшим сопротивлением«.

Как упоминалось ранее, одним из препятствий для кремния является его перегрев и необходимость инвестировать в дорогостоящие системы охлаждения. Например, в электронике электромобилей кремний заменяется карбидом кремния, который обладает в три раза большей теплопроводностью. Проще говоря, ему нужно нагреваться в три раза меньше, чтобы достичь той же эффективности, что и основному кремнию. Однако проведя эксперименты, авторы исследования подтвердили в 10 раз более высокую теплопроводность кубического арсенида бора.

Теперь задача состоит в том, чтобы найти практические способы производства этого материала в пригодных для использования количествах. Современные методы производства дают неоднородный материал, поэтому команде пришлось искать способы тестирования только небольших участков материала, достаточно однородных для получения надежных данных.

Хотя они продемонстрировали большой потенциал этого материала, «мы не знаем, будет ли он действительно использоваться и где«, — говорит Чен.

И хотя тепловые и электрические свойства были признаны превосходными, существует множество других свойств этого материала, которые еще не были проверены, например, его долгосрочная стабильность, объясняют авторы. Чен отмечает: «Теперь, когда желательные свойства арсенида бора стали более очевидными, что позволяет предположить, что этот материал является «во многих отношениях лучшим полупроводником», возможно, этому материалу будет уделяться больше внимания«.

Тем не менее исследователи делают вывод, что в ближайшем будущем материал может найти применение, где его уникальные свойства будут иметь существенное значение, если промышленность обеспечит необходимое финансирование для таких разработок.

Подпишитесь на нас:Дзен.Новости / Вконтакте / Telegram

Back to top button

Ученые заявили, что нашли лучший в мире полупроводник

Кремний — один из самых распространенных элементов на Земле, и в чистом виде этот материал стал основой многих современных технологий, от солнечных элементов до компьютерных чипов. Но свойства кремния как полупроводника далеки от идеальных.

Во-первых, хотя кремний легко пропускает электроны через свою структуру, он гораздо менее приспособлен к «дырочной проводимости» (положительно заряженным двойникам электронов), а использование обоих важно для некоторых типов микросхем. Также, кремний не очень хорошо проводит тепло, поэтому проблемы с перегревом и дорогими системами охлаждения все еще актуальны.

Что такое дырочная проводимость? При отрыве электронов от атомов в последних обра­зуются свободные места, которые могут быть заняты другими элек­тронами. Такие свободные места получили название дырок. Появ­ление дырки связано с потерей электрона атомом, а потому в обла­сти образования ее возникает избыточный положительный заряд. Таким    образом, наличие дырки равноценно положительному заряду.

Недавно группа исследователей из Массачусетского технологического института (США) провела эксперименты, показавшие, что материал под названием «кубический арсенид бора», преодолевает оба этих ограничения. Он обеспечивает высокую подвижность как электронов, так и «дырок», и обладает отличной теплопроводностью. Исследователи говорят, что это лучший из когда-либо найденных полупроводниковых материалов и, возможно, лучший из возможных.

Научная публикация вышла в журнале Science, о результатах сообщили в Институте.

Эксперименты показали, что теплопроводность кубического арсенида бора почти в 10 раз выше, чем у кремния. При высокой подвижности как электронов, так и «дырок» арсенид бора обладает всеми основными качествами, необходимыми для идеального полупроводника.

«Это важно, потому что, конечно же, в полупроводниках мы имеем как положительные, так и отрицательные заряды в равной степени. Поэтому, если вы строите устройство, вам нужен материал, в котором и электроны, и «дырки» движутся с меньшим сопротивлением», — говорит Ган Чен, один из авторов исследования.

«Сейчас тепло является основным узким местом для многих электронных устройств. Карбид кремния заменяет кремний в силовой электронике в основных отраслях электромобилестроения, включая Tesla, поскольку его теплопроводность в три раза выше, чем у кремния, несмотря на более низкую подвижность электронов в нем. Представьте, чего могут достичь арсениды бора с в 10 раз более высокой теплопроводностью и гораздо более высокой подвижностью, чем у кремния. Это может изменить правила игры», — говорит Юнгву Шин, ведущий автор статьи.

Этот материал не только обладает лучшей теплопроводностью среди полупроводников, но и занимает третье место среди всех материалов по теплопроводности — после алмаза и кубического нитрида бора, обогащенного изотопами.

«Это впечатляет, потому что я на самом деле не знаю ни одного другого материала, кроме графена, обладающего всеми этими свойствами», — говорит Ган Чен.

Правда, есть и проблемы. Существующие методы получения материала дают очень неоднородную структуру, поэтому команде пришлось найти способы протестировать лишь небольшие локальные участки, которые были достаточно однородны для получения надежных данных. И хотя термические и электрические свойства оказались превосходными, есть много других свойств материала, которые еще предстоит проверить, например, долговременную стабильность.

Полупроводниковые материалы: что такое кремний?

• Новостная рассылка
• Белая бумага
• Вебинары

Откройте для себя PCIM Europe

• Продукты и приложения
• Новости отрасли
• Исследования и разработки
• Инструменты и программное обеспечение
• Эксперты
• Услуги

20.07.2022 От Саймона Моррисона

Связанные поставщики

КерамТек ГмбХ РОМ Полупроводник ГмбХ Файнпауэр ГмбХ

Использование кремния в качестве полупроводника произвело революцию в электронной промышленности и открыло эпоху цифровых технологий. Однако многие люди до сих пор не знают о свойствах и использовании этого важнейшего материала.

Мы подробно рассмотрим кремний, что это такое, как он производится, для чего используется и что может быть впереди для кремниевой промышленности.

Кремниевые пластины используются почти во всех компьютерах и электронных устройствах, представленных сегодня на рынке, и производятся с использованием очень сложного производственного процесса.

(Источник: ryanking999 — stock.adobe.com)

Возможно, вы не знаете, но кремний (Si) играет решающую роль в нашей повседневной жизни. Как один из наиболее распространенных материалов, используемых в производстве силовой электроники, кремний можно найти во всем: от смартфонов до портативных компьютеров, микроволновых печей и светодиодных ламп. Не будет преувеличением сказать, что без кремния современный цифровой мир, каким мы его знаем, не существовал бы.

Несмотря на повсеместное распространение кремния, многие люди не знают об этом чудесном веществе. Что такое кремний и почему он так важен для электронной промышленности? Каковы плюсы и минусы использования кремния? Есть ли альтернатива силикону? Насколько велик рынок кремния и что может быть в будущем для производства и разработки кремния? Ответы вы найдете в этой статье!

Что такое кремний (Si)?

Кремний представляет собой химический элемент, который обозначается символом Si. Находясь между металлами и неметаллами в Периодической таблице, кремний представляет собой металлоид, принадлежащий к семейству углерода. Кремний имеет атомный номер 14 с атомным весом 28,086 ед. Температура плавления кремния составляет 1410 °C, а температура кипения — 3265 °C.

Чистый кремний обладает высокой реакционной способностью и не существует в природе в свободном состоянии. Однако кремний чаще всего встречается в виде оксида почти во всех горных породах, а также в глине, песке и почве. Окисленный кремний в виде двуокиси кремния и силикатов содержится в высоких концентрациях в земной коре, составляя 27,7% земной коры. Фактически, кремний является вторым наиболее распространенным элементом в земной коре после кислорода. Соединения кремния находятся в воде, растениях и в атмосфере, а также часто встречаются в жидкостях, тканях и скелетах животных.

Название кремния происходит от латинских слов «silex» и «silicis», что означает «твердый камень» или «кремень». Люди веками использовали кремнезем и силикаты. Древние египтяне изготавливали стекло, бусы и другие предметы по крайней мере с 1500 г. до н.э. Силикаты были обнаружены в строительном растворе, использовавшемся нашими самыми ранними предками.
Современное использование кремния началось в 1824 году, когда шведский химик Йонс Якоб Берцелиус смог выделить элементарный кремний, сделав это в 1824 году. Нечистый кремний был получен уже в 1811 году. Только в 1854 году кристаллический элементарный кремний смог производить с помощью электролиза.

Кремний использовался в качестве легирующей добавки в конце 1800-х и в 20 ^ом веке. За это время исследователи обнаружили, что кремний является высокоэффективным полупроводником и обладает изолирующими свойствами. Они обнаружили, что электрический ток легче протекает в одном направлении между электродами, прикрепленными к кремнию. Это открытие поставило ученых на путь разработки полупроводниковых выпрямителей, которые могли бы преобразовывать переменный ток в постоянный.

Однако только в 1954 году Моррис Таненбаум, химик из Bell Labs, смог произвести первый кремниевый транзистор. Его работа была основана на открытиях, сделанных лауреатами Нобелевской премии Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттейном, которые впервые изобрели транзистор в 1947 году. Использование кремния в качестве полупроводника этими учеными ознаменовало зарю электронной эры.

Самый первый компьютерный микропроцессор Intel 4004 был разработан Intel в 1971 году с использованием инновационной технологии кремниевых затворов. Это изобретение привело к современному гиперсвязанному цифровому миру.

Как производится кремний?

Кремниевые пластины используются почти во всех компьютерах и электронных устройствах, представленных сегодня на рынке, и производятся с использованием очень сложного производственного процесса. Чистый кремний, также известный как поликремний, производится сначала путем получения металлургического кремния с использованием электрической печи, чтобы вызвать реакцию между кварцем и коксом. Металлургический кремний превращается в трихлорсилан (TCS) с использованием реакторов с псевдоожиженным слоем. Водород используется для очистки и последующего разложения TCS. В результате получается поликремниевый стержень. Затем поликремниевый стержень кристаллизуют, в результате чего получают кристаллы или слитки кремния. Затем эти слитки разрезают на пластины, которые можно использовать в силовой электронике.

Следует отметить, что производственный процесс приводит к большому количеству отходов, а при производстве чистого кремния используется и производится много токсичных веществ.

Каковы уникальные свойства кремния?

Чистая форма кремния имеет атомарную структуру, что делает его очень эффективным полупроводником. Это означает, что он обладает проводящими свойствами металла, а также является изолятором, поэтому кремний может проводить и блокировать электричество. Эта способность делает кремний идеальным механизмом переключения. Чистый кремний очень стабилен, устойчив к воде, пару и кислоте и может использоваться для образования сплавов, оксидов и нитридов.

Подпишитесь на рассылку новостей сейчас

Не пропустите наш лучший контент

Деловая электронная почта

Нажав «Подписаться на рассылку новостей», я даю согласие на обработку и использование моих данных в соответствии с формой согласия ( пожалуйста, разверните для подробностей) и примите Условия использования. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Разверните для получения подробной информации о вашем согласии.

По сравнению с германием кремний более стабилен и приводит к меньшей утечке тока. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны кремния составляет 1,12 эВ при 0 К. Добавление примесей к чистому кремнию, процесс, известный как «легирование», может еще больше улучшить его полупроводниковые свойства.

Несмотря на сложность процесса производства чистого кремния, изобилие кремния делает его привлекательным материалом для производителей силовой электроники. Высокоэффективные полупроводниковые свойства кремния, а также присущая ему прочность и стабильность делают его чрезвычайно универсальным материалом.

#sponsored

Как используется кремний?

Кремний имеет решающее значение для производства силовой электроники. Он используется инженерами для создания переключателей, схем и вентилей. Многие области применения очищенного кремния включают компьютерные чипы, транзисторы, интегральные схемы, жидкокристаллические дисплеи, диоды и многое другое. Кремний также является основным компонентом солнечных батарей и имеет жизненно важное значение для отрасли возобновляемых источников энергии.

Кремний в менее очищенной форме используется для легирования таких металлов, как сталь, латунь, алюминий и бронза. Кремнезем, содержащийся в песке и глине, используется для изготовления кирпича и бетона и часто используется в качестве промышленного абразива, например, в производстве стекла. Силикаты используются для производства стекла и изготовления керамики и эмалей. Полимеры, содержащие кремний, встречаются в косметике и средствах для ухода за волосами. Силиконовый каучук используется в качестве герметика в авиационной и автомобильной промышленности. Кремний можно найти в антипригарной посуде, красках и покрытиях, а также в одежде и спортивных товарах.

Насколько велик мировой рынок кремния?

Согласно последним отчетам, в 2019 году мировой рынок кремния оценивался в 6,05 млрд долларов США. Ожидается, что рынок продолжит расти со среднегодовым темпом роста (CAGR) в 4,6 % в течение следующего десятилетия. По прогнозам, к 2027 году мировой рынок кремния достигнет 11,46 млрд долларов США.

Китай, безусловно, является крупнейшим производителем кремния в мире: в 2021 году будет произведено более 6000 метрических тонн. Для сравнения, двумя следующими крупнейшими производителями являются Россия с 580 метрических тонн и Бразилия с 390 метрических тонн кремния произведено за тот же период.

Каково будущее кремния?

Хотя кремний долгое время был предпочтительным материалом для силовой электронной промышленности, это не единственное вещество, подходящее для полупроводников. Разрабатываются альтернативы, в которых кремний может стать королем полупроводников.

Карбид кремния (SiC) показал себя способным выдерживать гораздо более высокие температуры, чем обычный кремний. SiC представляет собой смесь кремния и углерода и в настоящее время используется для производства небольших аккумуляторов для электромобилей. SiC имеет более быстрые возможности переключения и намного более эффективен с точки зрения потерь энергии, чем обычный кремний. В настоящее время он рассматривается как жизнеспособная альтернатива кремнию. Однако в настоящее время SiC имеет гораздо более высокую стоимость производства по сравнению с кремнием.

Нитрид галлия (GaN) также рекламируется как заменитель чистого кремния. GaN создается с помощью процесса металлоорганического химического осаждения из паровой фазы (MOCVD), в котором сочетаются галлий и азот. Электроны движутся по полупроводникам GaN невероятно быстро. Он имеет ширину запрещенной зоны 3,4 эВ, обычный кремний имеет значение 1,12 эВ. Полупроводники GaN могут выдерживать более высокие температуры и более высокие напряжения, чем кремниевые полупроводники. Недостатком полупроводников GaN является то, что в настоящее время производственный процесс все еще дороже, чем обычные кремниевые полупроводники, и еще не так универсален.

На данный момент кремний по-прежнему лидирует в качестве полупроводника номер один. Однако, если будут достигнуты более совершенные технологии производства, в будущем такие материалы, как SiC и GaN, могут заменить кремний в качестве предпочтительного полупроводника для промышленности силовой электроники.

(ID:48481897)

3. Полупроводниковый материал кремний: Hitachi High-Tech Corporation

Полупроводники широко используются в привычных электрических приборах, таких как персональные компьютеры, телевизоры, смартфоны, цифровые камеры, карты IC и т. д. Материалом, наиболее часто используемым в полупроводниках, является кремний ( химический символ = Si). Кремний — второй по распространенности элемент на Земле после кислорода. Большая часть кремния содержится в почве и камнях, но кремний также содержится в природной воде, деревьях и растениях.
Однако в природе кремний встречается в виде соединений с кислородом, алюминием и магнием. В результате элемент кремния должен быть извлечен из соединения и очищен. Кремний, используемый в полупроводниках, таких как интегральные схемы (ИС), требует монокристаллической структуры сверхвысокой чистоты «99,999999999%» (так называемые «одиннадцать девяток») и очищается с использованием различных процессов после экстракции.