Более пятидесяти лет кремний был основным материалом в полупроводниковой промышленности, обеспечивая цифровую революцию и изменяя лицо человечества. Кремниевая технология привела мир от первых компьютеров к смартфонам, автономным транспортным средствам и встроенным электронным устройствам во всех аспектах нашей жизни. Однако в последние годы всё больше признаётся, что кремний достигает своих физических пределов, и отрасли необходимо обратиться к инновационным материалам, чтобы продолжить путь технологического прогресса.
Ограничения кремния особенно ощутимы в областях, требующих высокой энергоэффективности, высоких напряжений, высоких частот и экстремальных температур. Огромный рост энергопотребления дата-центров, электромобилей и передовых коммуникационных сетей требует решений, обеспечивающих более эффективное преобразование энергии и продвинутое управление теплом. Именно здесь вступают в игру новые материалы, такие как нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC), возглавляя следующую волну инноваций в области полупроводников.
Нитрид галлия (GaN) является одним из самых перспективных материалов в отрасли. Его уникальные свойства включают широкую запрещённую зону, высокую подвижность электронов и отличную теплопроводность. Эти характеристики позволяют чипам на основе GaN работать при более высоких напряжениях, частотах и температурах, чем традиционные кремниевые чипы. Самым значительным преимуществом GaN является его высокая энергоэффективность. Электрические схемы на основе GaN могут достигать эффективности преобразования энергии свыше 95%, по сравнению с примерно 85% у стандартных кремниевых технологий, что приводит к значительной экономии энергии и снижению тепловыделения.
Коммерческие применения технологии GaN уже присутствуют на рынке, прежде всего в области блоков питания и зарядных устройств для мобильных устройств. Зарядные устройства на базе GaN обеспечивают более быструю зарядку при меньших размерах и снижении тепловыделения. Такие компании, как Navitas Semiconductor, GaN Systems и Efficient Power Conversion (EPC), являются лидерами в исследованиях и разработках в этой области. Ещё одной сферой, где GaN начинает внедряться, является беспроводная связь на высоких частотах, особенно в инфраструктурах 5G и 6G, где он обеспечивает более быструю и энергоэффективную передачу данных.
Тем временем карбид кремния (SiC) — это ещё один материал, набирающий популярность в отрасли. SiC обладает особенно высокой устойчивостью к высоким напряжениям и температурам, что делает его идеальным для применения в электромобилях и промышленных системах. Основное преимущество SiC — его способность пропускать более сильные токи по сравнению с обычным кремнием, что позволяет создавать более компактные и эффективные электрические схемы. Tesla была одной из первых компаний, внедривших технологию SiC в инверторах своих электромобилей, что способствовало увеличению дальности хода и улучшению характеристик автомобиля.
Компании, такие как Wolfspeed (ранее Cree), STMicroelectronics и Infineon, являются одними из лидеров в разработке технологии SiC и за последние годы инвестировали миллиарды долларов в новые производственные мощности. По прогнозам рынка, ожидается, что рынок компонентов на основе SiC будет расти в среднем более чем на 30% в год в течение следующих пяти лет, в основном за счёт растущего спроса на электромобили и инфраструктуру возобновляемой энергетики.
Другие передовые материалы в исследовательских и разработочных работах включают оксид галлия (Ga2O3), который имеет еще больший энергетический разрыв, чем GaN и SiC, а также синтетический алмаз, считающийся «материалом мечты» полупроводниковой индустрии благодаря своим отличным свойствам в теплопроводности и электрическом сопротивлении. Однако эти материалы все еще сталкиваются с серьезными проблемами в массовом производстве и интеграции в промышленность.
Проблемы с принятием новых материалов значительны. Стоимость производства чипов на основе GaN и SiC всё ещё значительно выше, чем у кремниевых чипов, в первую очередь из-за меньшего опыта в процессах массового производства. Кроме того, существуют технические трудности в интеграции новых материалов с существующими технологиями и адаптации текущих производственных процессов под эти материалы. Однако ожидается, что с развитием технологий и увеличением объемов производства стоимость значительно снизится в ближайшие годы.
Экологическое воздействие перехода на новые материалы значительное. Повышенная энергоэффективность полупроводников на основе GaN и SiC приводит к экономии энергии в широком спектре приложений, сокращая углеродный след отрасли. В электромобилях, например, использование компонентов SiC может привести к улучшению запаса хода до 10%, что позволяет уменьшить необходимый размер батареи и использование дорогих ресурсов, таких как литий и кобальт.
Переход к новым материалам также связан с геополитическими вызовами. Сырьевые материалы, необходимые для производства GaN и SiC, не так распространены, как кремний, и некоторые из них сосредоточены в отдельных странах. Например, Китай контролирует значительную часть мирового рынка галлия, что создаёт потенциальные риски в цепочке поставок. Страны и крупные корпорации теперь инвестируют в исследования и разработку альтернативных источников поставок и более эффективных процессов переработки, чтобы уменьшить зависимость от ограниченных источников.
Несмотря на вызовы, будущее полупроводниковой промышленности явно указывает на увеличение использования инновационных материалов. Масштабные инвестиции гигантских корпораций и правительств по всему миру в технологии материалов, таких как GaN, SiC и другие, свидетельствуют о признании того, что это единственный способ продолжить путь инноваций и повышения производительности. Для конечных потребителей переход к этим материалам отразится в более умных, энергоэффективных устройствах с лучшими характеристиками и меньшим нагревом. В ближайшие годы ожидается значительное развитие в этой области, с увеличением внедрения технологий GaN и SiC в широкий спектр применений в электронике, автомобильной промышленности, связи и энергетике. Полупроводниковая промышленность, которая десятилетиями основывалась на одном доминирующем материале — кремнии, становится более разнообразной, с рядом материалов, адаптированных для конкретных приложений. Эта тенденция не только позволит добиться дальнейших технологических достижений, но и значительно поспособствует глобальным усилиям по сокращению выбросов углерода и борьбе с изменением климата.
