Chińska firma Hangzhou Garen Semiconductor twierdzi, że uruchomiła pierwszą na świecie linię masowej produkcji zgodną z homoepitaksjalnymi waflami z tlenku galu o średnicy 6 i 8 cali, czyli odpowiednio około 152,4 i 203,2 mm średnicy. Sama firma utrzymuje też, że dostarczyła już 6-calowe wafle o orientacji krystalograficznej (100) do czołowych producentów chipów, co ma oznaczać przejście do stabilnej produkcji wolumenowej.
Samo hasło homoepitaksjalne brzmi wprawdzie tak, jakby właśnie nawiedziła nas obca cywilizacja i przekazała część swojej technologii, ale w praktyce chodzi o samą strukturę. O wafle z tlenku galu, na których kolejną warstwę tego samego materiału hoduje się na podłożu również wykonanym z tlenku galu. Taka zgodność materiałowa ogranicza defekty i poprawia jakość struktury, co przy półprzewodnikach mocy ma kluczowe znaczenie.
Chiny nie pokazały kolejnego procesora. Pokazały coś bardziej podstawowego
Nie jest to naturalnie historia o gotowym procesorze, który jutro trafi do laptopa i przeskoczy układy Intela, AMD czy Apple. Trzeba wiedzieć, że mówimy tu o znacznie wcześniejszym, bardziej przemysłowym etapie łańcucha półprzewodnikowego. Jednak właśnie dlatego ta informacja jest interesująca, bo w technologii chipów pojedynczy eksperyment laboratoryjny potrafi zachwycić, ale dopiero powtarzalna produkcja podłoży mówi, czy dany materiał może zacząć wychodzić poza uczelniane laboratoria.
Według producenta sam rynek tlenku galu był dotąd ograniczany przez niewielkie rozmiary dostępnych wafli, skromne moce produkcyjne i problem z jednorodnością. Komercyjnie dostępne podłoża miały zwykle od 2 do 4 cali, czyli od około 50,8 do 101,6 mm średnicy. Przejście do 6 i 8 cali nie jest więc małą zmianą. Przy tej samej geometrii 8-calowy wafel ma około cztery razy większą powierzchnię niż 4-calowy, a to bezpośrednio wpływa na liczbę możliwych do uzyskania układów i ekonomię produkcji.
Tlenek galu nie zastąpi jutro krzemowego CPU, ale może zaatakować ważniejszy problem
Krzem jest zbyt tani, zbyt dojrzały i zbyt dobrze osadzony w globalnych fabrykach, żeby zniknąć tylko dlatego, że pojawił się materiał o lepszych parametrach w określonej dziedzinie. Sens tej akurat historii leży więc gdzie indziej. Tlenek galu, a dokładniej Ga₂O₃, należy do półprzewodników o ultraszerokiej przerwie energetycznej, co czyni go szczególnie atrakcyjnym dla elektroniki mocy. Tlenek galu jest bowiem opisywany jako materiał o przerwie energetycznej rzędu około 4,6-5,3 eV i krytycznym polu elektrycznym przekraczającym 5-8 MV/cm. Dla elektroniki mocy brzmi to bardzo obiecująco, bo takie właściwości pozwalają projektować urządzenia zdolne do pracy przy wysokich napięciach i potencjalnie mniejszych stratach przewodzenia.
Czytaj też: Chiny zbudowały energetycznego potwora. To już cały organizm do karmienia wodorem
Mówiąc prościej, nie chodzi przede wszystkim o obliczenia w grach czy renderowanie grafiki, ale o kontrolowanie energii. O falowniki w samochodach elektrycznych, przetwornice w systemach fotowoltaicznych, sieci wysokiego napięcia, magazyny energii, centra danych, układy przemysłowe i zaawansowaną komunikację radiową. Tam liczy się zdolność pracy przy wysokim napięciu, wysokiej temperaturze, dużej częstotliwości przełączania i możliwie małych stratach. Krzem przez lata obsługiwał te obszary, ale fizyka zaczyna coraz mocniej przypominać, że każdy materiał ma swoje granice.
Czytaj też: Chiny odkurzyły radziecki koszmar z orbity. FOBS wraca jak duch zimnej wojny
Największą zaletą Ga₂O₃ jest zdolność do pracy przy bardzo wysokich polach elektrycznych, ale ten materiał ma też dobrze znane ograniczenia. Jest to niska przewodność cieplna oraz trudność uzyskania stabilnego domieszkowania typu p. Dla elektroniki mocy pierwszy kłopot jest szczególnie ważny, bo układ, który świetnie znosi napięcie, nadal musi gdzieś oddać ciepło. Energia nie znika tylko dlatego, że materiał wygląda imponująco w parametrach.
Widać to również przy końcu prostego skalowania procesorów oraz przy trójwymiarowych układach przyszłości. Branża coraz częściej nie pyta wyłącznie “jak zrobić mniejszy tranzystor?”, tylko “jak ograniczyć straty, skrócić ścieżki, poprawić chłodzenie i zbudować układ, który da się produkować seryjnie?”.
Najważniejsza jest nie średnica wafla, ale powtarzalność
Garen twierdzi, że połączył własną metodę wzrostu monokryształów przez odlewanie z zoptymalizowaną epitaksją MOCVD, czyli procesem osadzania warstw z fazy gazowej z użyciem związków metaloorganicznych. W praktyce oznacza to próbę kontrolowania całego przepisu – od wzrostu kryształu, przez obróbkę podłoża, po osadzanie kolejnej warstwy tlenku galu na tlenku galu. Stąd właśnie określenie “homoepitaksjalne”, bo warstwa epitaksjalna i podłoże są wykonane z tego samego materiału.
Według deklaracji firmy własna metoda wzrostu pozwala uzyskiwać bardzo grube kryształy Ga₂O₃, a proces ultracienkich podłoży ma zwiększać uzysk substratów od trzech do czterech razy względem konwencjonalnych metod. Producent mówi też o ograniczeniu zużycia irydu, co ma obniżać koszt podłoża o ponad 80 procent na wafel. Innymi słowy, potencjał na rewolucję jest, a to akurat dobra wiadomość, bo w półprzewodnikach rozmiar wafla jest jedną z tych rzeczy, które są traktowane jako klucz do kosztów. Im większy wafel, tym więcej układów można potencjalnie wytworzyć w jednym przebiegu procesu. Im lepsza jednorodność, tym większa szansa na przyzwoity uzysk. Im bliżej standardów istniejących linii, tym łatwiej myśleć o skalowaniu.
Czytaj też: Okręty podwodne wyróżniała niewidzialność. Chiny właśnie testują ich nowy koszmar
Warto patrzeć na tę historię, mając z tyłu głowy problemy materiałów 2D w procesorach nowej ery. Sam świetny materiał nie wystarcza. Potrzebne są kontakty, dielektryki, interfejsy, trawienie, obudowy, chłodzenie, pomiary niezawodności i cały nudny, kosztowny świat produkcji. Laboratorium może udowodnić zasadę, ale to fabryka musi udowodnić, że da się ją racjonalnie wykorzystać.
Źródła: TrendForce
