Ученые разработали метод получения сверхчистого кремния, который применяется для производства чипов. Используя стандартное оборудование, они добились снижения доли примесей кремния-29 в чипах до 0,0002 %. Данный способ позволит создавать более мощные квантовые компьютеры с большим количеством кубитов, сообщает New Atlas.

Источник изображения: Kandinskiy

Кремний заслуженно считается одним из ключевых материалов, лежащих в основе современных электронных устройств и компьютерных технологий. Его значение настолько велико, что в его честь даже названа знаменитая Кремниевая долина в Калифорнии — место, где зародились многие IT-гиганты. Однако у кремния есть и определенные недостатки, ограничивающие его применение в перспективных областях, таких как квантовые вычисления.

Исследователи из Мельбурнского и Манчестерского университетов разработали метод получения сверхчистого кремния с помощью стандартного оборудования — ионного имплантатора. С помощью этой установки, которая широко применяется в полупроводниковой промышленности, компьютерный чип был «обстрелян лучом» кремния-28, в процессе чего примеси кремния-29 были заменены на более желательный кремний-28, и в результате, концентрация кремния-29 в чипе снизилась с 4,5 % до 0,0002 %.

Почему чистота кремния важна для квантовых компьютеров? Дело в том, что в основе работы квантовых компьютеров лежат кубиты — квантовые биты, использующие принципы квантовой механики. Они крайне чувствительны к любым внешним воздействиям и должны находиться в состоянии квантовой когерентности.

Однако натуральный кремний содержит примерно 4,5 % изотопа кремний-29, имеющего дополнительный нейтрон. Эти нейтроны ведут себя как микроскопические магниты, нарушая когерентность кубитов и вызывая ошибки в квантовых вычислениях. Таким образом, использование натурального кремния существенно ограничивает возможности квантовых компьютеров, и для их полноценной работы требуется гораздо более чистый кремний с минимальным содержанием изотопа кремний-29.

Кремний с высокой чистотой может позволить значительно расширить возможности квантовых компьютеров, так как чем больше кубитов содержит квантовый чип, тем он мощнее. Сверхчистый кремний, который получили ученые, в данном случае поможет стабилизировать работу таких многокубитных систем. В дальнейшем планируется протестировать разработанные сверхчистые кремниевые структуры на реальных квантовых устройствах. А успешные результаты могут привести к появлению квантовых компьютеров нового поколения.

Данные берутся из публикации Он вам не силикон! Или почему кремний так сложно заменить

Мировые поставки кремниевых пластин во втором квартале 2023 года увеличились на 2,0 % по сравнению с предыдущим кварталом до 3331 млн квадратных дюймов. Это на 10,1 % меньше, чем 3704 млн квадратных дюймов, зарегистрированных в том же квартале прошлого года, сообщает SEMI Silicon Manufacturers Group (SMG) в своём ежеквартальном анализе отрасли производства кремниевых пластин.

Источник изображения: Micron

«Полупроводниковая промышленность продолжает сталкиваться с избыточными запасами в различных сегментах рынка, из-за чего фабрики работают не на полную мощность, — говорит Анна-Риикка Вуорикари-Антикайнен (Anna-Riikka Vuorikari-Antikainen), председатель SEMI SMG. — В результате поставки кремниевых пластин отстают от своего пика 2022 года. Отгрузки пластин во втором квартале оставались стабильными по сравнению с предыдущим кварталом, при этом 300-мм пластины демонстрировали ежеквартальный рост среди пластин всех размеров».

Кремниевые пластины являются основным «строительным материалом» для большинства полупроводников, которые являются жизненно важными компонентами всех электронных устройств. Высокотехнологичные тонкие диски производятся диаметром до 300 мм и служат подложкой, на которой изготавливается большинство чипов и других полупроводниковых изделий.

Поставки кремниевых пластин в миллионах квадратных дюймов / Источник: semi.org

А вот та же таблица, но в квадратных метрах:

Чтобы наглядно представить масштабы ежеквартального мирового производства кремниевых пластин, напомним, что в 1 квадратном километре содержится 1 миллион квадратных метров или 10000 аров, в простонародье называемых «сотка». То есть общая площадь произведённых пластин во 2 квартале 2023 года — более 2 квадратных километров, что приблизительно соответствует 2150 дачным участкам по 10 «соток».

В последние пару лет чаще приходится слышать о стремлении немецких производителей перенести предприятия в США, но существует и обратная тенденция, пусть и не столь явно выраженная. Во всяком случае, американский стартап Group14 Technologies собирается перевооружить простаивающее предприятие в Германии под выпуск сырья для перспективных литий-кремниевых тяговых аккумуляторов.

Источник изображения: Group14 Technologies

Об этом сообщает издание Financial Times и напоминает о поддержке указанного стартапа немецкой маркой Porsche, надеющейся за счёт нового химического состава тяговых батарей увеличить плотность хранения заряда и поднять скорость его пополнения. Американский стартап не скрывает, что немецкий проект реализуется при поддержке местных автопроизводителей, заинтересованных в доступе к сырью «некитайского происхождения». В сфере поставок графита, который используется при изготовлении анодов литиевых аккумуляторов, Китай занимает доминирующее положение. Европейские автопроизводители пытаются подстраховать себя за счёт иных источников сырья, и в этом отношении переход на кремний в качестве одного из материалов изготовления анода является неплохой альтернативой.

Предприятие Group14 в Германии будет запущено на базе уже имеющегося завода по производству силана, который в настоящий момент простаивает. Запуск производства необходимого сырья должен состояться в максимально сжатые сроки, поскольку поставщики заинтересованы в снижении зависимости от Китая и переходе на тяговые аккумуляторы с более прогрессивным химическим составом. Помимо Porsche в качестве стратегического инвестора, стартап Group14 у себя на родине в США получает поддержку и от государства. Молодой компании удалось получить грант на развитие в сумме $100 млн.

Графит не только вынуждает производителей аккумуляторов зависеть от китайских поставок, но и оставляет серьёзный углеродный след при своей переработке, уступая в этом отношении только никелю. Переход на кремний для изготовления анодов позволяет уменьшить ущерб окружающей среде при производстве тяговых аккумуляторов. Правда, у этого материала есть и серьёзный эксплуатационный недостаток: при зарядке и разрядке аккумулятора он заметно расширяется и сжимается, сокращая эксплуатационный ресурс батареи. Аноды с содержанием кремния оказываются и дороже выпускаемых с использованием графита, поэтому на скорое распространение соответствующий батарей рассчитывать не приходится.

Технологии воспроизведения звука в ближайшее десятилетие ожидают кардинальные перемены, связанные с переходом на микроэлектромеханические системы (МЭМС) — на рынок выйдут твердотельные динамики на базе пластин из сверхчистого кремния, аналогичных тем, что используются в производстве микросхем. Об этом сообщает Wall Street Journal.

Источник изображения: usound.com

Большинство существующих динамиков, используемых и в стереосистемах, и в наушниках, работает по одному принципу. Первый рабочий пример этой схемы был представлен в 1876 году Александром Грэхемом Беллом (Alexander Graham Bell). В динамике располагается магнит, в который встроена катушка, прикреплённая к жёсткой, но гибкой мембране. Проходящие по катушке электрические импульсы преобразуются в вибрации, а мембрана превращает их в движения воздуха, воспринимаемые нами как звук. С самого момента изобретения в эту конструкцию не вносились принципиальные изменения, но отдельные коррективы помогли динамикам уместиться в смартфонах и звуковых аппаратах.

МЭМС-динамики — это те же самые компоненты, но собранные в единое целое. При более компактных размерах и сниженном потреблении энергии они производят более качественный звук в сравнении с традиционными колонками. В них используется принцип пьезоэлектриков — механической деформации под действием электрического заряда.

Источник изображения: xmems.com

Лидерами технологии нового поколения являются австрийская компания Usound и американская xMEMS: инженеры первой заменили катушку с магнитом куском кремния, а в xMEMS предложили иное решение — изготовили из сверхчистого кремния, который используется при производстве микрочипов, весь динамик целиком, включая вибрирующую мембрану. Толщина МЭМС-динамиков может составлять всего 1 мм, то есть четверть от традиционных колонок, рассказал технический директор USound Андреа Рускони Клеричи (Andrea Rusconi Clerici) — в ассортименте компании уже есть модель 5 мм в длину и 1,4 мм в ширину.

Тем временем xMEMS уже представила свои прототипы нескольким десяткам производителей, и более 30 из них теперь работают над наушниками и другими товарами, основанными на этом решении, сообщил учредитель SAR Insight & Consulting — фирмы, которая отслеживает индустрию аудиотехнологий. На рынок эти устройства начнут выходить уже в этом и следующем году. Один из прототипов таких наушников-вкладышей получил звукоинженер Брайан Люси (Brian Lucey), работавший с девятью лауреатами «Грэмми» — он заявил, что наушники с твердотельными динамиками стали для него незаменимыми. Наконец, эту технологию начала внедрять китайская компания Luxshare, которая производит наушники Apple AirPods и компоненты для Vision Pro. В Luxshare и Apple от комментариев отказались, но очевидно, что революция в конструкции массовых наушников не за горами.

По информации Nikkei Asian Review, японские власти выразили готовность выделить $530 млн на субсидирование строительства предприятий компании Sumco на юге страны, которые займутся производством кремниевых пластин, используемых при выпуске полупроводниковых компонентов. Непосредственно бюджет строительства составит в три раза большую сумму, новые предприятия на острове Кюсю должны быть введены в строй с 2029 года.

Источник изображения: Sumco

Данные субсидии являются частью программы японского правительства по стимулированию развития национальной полупроводниковой отрасли. Образованное в 1999 году совместное предприятие Sumco за счёт слияния профильного бизнеса Sumitomo Metal Industries и Mitsubishi Materials в дальнейшем смогло стать вторым по величине в мире поставщиком подложек для изготовления чипов. Вместе с японской компанией Shin-Etsu Chemical они контролируют половину мирового рынка таких подложек.

Основная часть предприятий Sumco уже расположена на юге острова Кюсю, здесь же предполагается к 2029 году построить ещё несколько предприятий, которые будут выпускать кремниевые пластины как для внутреннего рынка Японии, так и на экспорт в дружественные регионы типа США и Европы. Остров Кюсю располагает достаточными для организации такого производства запасами пресной воды, здесь также имеются квалифицированные кадры. Тайваньская TSMC своё предприятие по контрактному выпуску чипов тоже расположит на этом острове.

В ближайшие два года власти Японии готовы выделить на субсидирование национальной полупроводниковой отрасли $14,2 млрд, почти четверть этой суммы уйдёт на субсидирование совместного предприятия TSMC. Правительство страны также готово субсидировать строительство предприятия Ibiden по тестированию и упаковке чипов и строительство предприятия Canon по производству технологического оборудования для полупроводниковой отрасли. В прошлом месяце также стало известно о намерениях правительственного инвестиционного фонда JIC выкупить активы JSR — производителя фоторезиста, который используется при обработке кремниевых пластин. Консолидация активов небольших производителей, по мнению властей страны, позволит более активно привлекать капитал для развития всей национальной полупроводниковой отрасли.

Бурное развитие электромобильной промышленности ставит перед производителями электронных компонентов новые вызовы. Элементная база должна выдерживать более высокие нагрузки, создаваемые станциями экспресс-зарядки, повышенные требования предъявляются к надёжности продукции. Renesas Electronics в этих условиях берётся наладить выпуск компонентов на основе карбида кремния с 2025 года.

Источник изображения: Nikkei Asian Review

Как поясняет Nikkei Asian Review, новая производственная линия будет запущена на предприятии Renesas в Такасаки, к северо-западу от Токио. Сейчас данное предприятие производит пластины из обычного кремния. Какой объём средств Renesas собирается вложить в модернизацию производства, не уточняется, но к 2025 году здесь будет налажен выпуск силовой электроники на базе карбида кремния. В отличие от компонентов из обычного кремния, такие полупроводники способны лучше переносить высокие температуры и обеспечивают снижение потерь электроэнергии, что в случае с электромобилями позволяет увеличить запас хода. Компоненты из карбида кремния можно применять и в системах стационарного хранения электроэнергии.

Конкуренты Renesas данным направлением тоже давно и активно занимаются. STMicroelectronics, Infineon Technologies и Mitsubishi Electric вкладывают серьёзные ресурсы в освоение выпуска полупроводниковых компонентов на основе карбида кремния. Руководство Renesas не видит проблемы в позднем выходе компании на этот рынок. По его словам, в сегменте традиционной силовой электроники ситуация была аналогичной, но сейчас клиенты ценят продукцию марки за более высокую энергоэффективность. Аналогичный путь Renesas сможет проделать и в сегменте компонентов из карбида кремния, по мнению президента компании Хидетоси Сибаты (Hidetoshi Shibata).

В начале следующего года Renesas запустит законсервированное предприятие в префектуре Яманаси, которое простаивало с 2014 года, но в дальнейшем будет переоборудовано под выпуск силовой электроники. Компания придерживается разделения принципов собственного и контрактного производства. Сложные логические компоненты она доверяет производить подрядчикам, а самостоятельно выпускает силовую электронику с целью сохранения коммерческих секретов и максимального использования собственного потенциала.

Многие молодые компании при финансовой поддержке автопроизводителей занимаются поиском альтернативных материалов для производства тяговых аккумуляторов, которые решили бы ряд проблем, стоящих перед отраслью. В штате Вашингтон уже в следующем году будет запущено производство анодов на базе кремния, которые увеличат плотность хранения энергии и позволят быстрее восстанавливать заряд.

Источник изображения: Mercedes-Benz

В этом американском штате, как поясняет Reuters, в середине следующего года появятся два новых предприятия, построенных разными компаниями. Group14 Technologies свои изыскания в области создания анодов на базе кремния проводит при финансовой поддержке Porsche, дочерней компании TDK, химического концерна BASF и южнокорейской SK Inc., которая собирается у себя на родине наладить выпуск анодов на базе кремния на совместном предприятии уже в этом году. Кремний, по замыслу разработчиков, должен постепенно заменить графит в составе анодов современных тяговых аккумуляторов. Group14 удалось на своё развитие привлечь $650 млн. Часть этих средств будет направлена на запуск предприятия по выпуску анодов в штате Вашингтон, которое начнёт функционировать в следующем году.

Основанная 12 лет назад Sila Technologies работает в том же направлении, но её инвесторами являются Mercedes-Benz, дочерняя компания TDK и немецкий концерн Siemens. Марка Mercedes-Benz планирует использовать аноды на основе кремния в тяговых батареях электрического внедорожника EQG, выпуск которого будет налажен в 2025 году. Предприятие по производству анодов в штате Вашингтон компания запустит в следующем году. Всего Sila Technologies смогла привлечь более $900 млн капитала. По оценкам основателей компании, уйдёт более 10 лет на то, чтобы заменить графит на кремний в составе анодов тяговых батарей электромобилей. Долгие годы спрос на подобный тип анодов будет превышать возможности производителей.

Большинство технологий смартфонов развиваются быстрыми темпами — чипсеты, дисплеи, камеры… И только ёмкость аккумуляторов растёт с черепашьей скоростью. Компания Honor, похоже, нашла решение, представив первую в отрасли кремний-углеродную батарею, которая обладает на 12,8 % более высокой плотностью энергии по сравнению с современными литиевыми батареями.

Источник изображений: Honor

Генеральный директор Honor Джордж Чжао (George Zhao) в короткой презентации показал пару диаграмм, объясняющих преимущества новой технологии. Стандартная литиевая батарея уже практически разряжена, когда её напряжение снижается до 3,5 вольт, а вот кремний-углеродная батарея при этом напряжении сохраняет заряд на 240 % больше, обеспечивая общее повышение ёмкости на 12,8 %. Например, если смартфон Honor Magic5 Pro имеет стандартную батарею ёмкостью 5 100 мА·ч, то при замене её кремний-углеродной, ёмкость будет уже 5 450 мА·ч.

Любопытно, что Magic5 Pro в Китае изначально поставляется с аккумулятором ёмкостью 5450 мА·ч — похоже, что новая технология аккумуляторов уже стала реальностью, а не просто испытана в лаборатории. Тем не менее, международная модель выпускается со стандартной батареей ёмкостью 5100 мА·ч. В ближайшее время должна появиться информация, действительно ли устройства в Китае уже оснащаются кремниево-углеродными батареями.

Стремительное развитие электромобильной отрасли повышает спрос на полупроводниковые компоненты нового поколения. В частности, силовые элементы из карбида кремния способны выдерживать более высокие нагрузки и обеспечивают более высокую энергоэффективность. По слухам, производитель такой продукции Wolfspeed рассчитывает построить предприятие стоимостью 2 млрд евро на территории Германии.

Источник изображения: Wolfspeed

Буквально в сентябре прошлого года стало известно, что американская компания Wolfspeed готовится построить крупнейшее в мире предприятие по выпуску сырья для изготовления силовых компонентов из карбида кремния в Северной Каролине. Правда, возвести его планируется только к 2030 году, так что проект можно отнести к разряду долгосрочных инвестиций.

Как сообщает издание Handelsblatt, к 2027 году Wolfspeed рассчитывает начать строительство предприятия по выпуску силовой электроники на юго-западе Германии в Сааре. Миноритарным акционером предприятия станет немецкий производитель автомобильных трансмиссий ZF, по данным источника, а общий бюджет проекта превысит 2 млрд евро. Представители заинтересованных сторон на момент публикации материала агентством Reuters комментировать эти слухи отказались.

Напомним, что Германия является предпочтительным регионом инвестиций в перспективных планах как минимум ещё двух производителей полупроводниковой продукции. В Магдебурге рассчитывает построить своё предприятие по тестированию и упаковке чипов корпорация Intel. В окрестностях Дрездена, по слухам, может появиться первое в Европе предприятие TSMC по контрактному производству чипов с использованием 28-нм технологии.

Тайваньская компания GlobalWafers, которая снабжает производителей полупроводниковых чипов кремниевыми пластинами, на этой неделе начала строительство предприятия в Шермане, штат Техас, которое в дальнейшем сможет выпускать по 1,2 млн кремниевых пластин в месяц. На определённом этапе компания выбирала между Южной Кореей и штатом Техас, но остановилась на последнем на радость американским производителям чипов.

Источник изображения: GlobalWafers

Как гласит пресс-релиз на сайте GlobalWafers, это будет первое на территории США новое предприятие подобного профиля более чем за двадцать лет. Оно будет выпускать кремниевые пластины типоразмера 300 мм, до 1,2 млн штук в месяц, чем существенно снизит зависимость американской полупроводниковой промышленности от импорта таких пластин. Сейчас местная отрасль менее чем на 1 % обеспечивается кремниевыми пластинами локального производства. Строительство такого предприятия тем более важно в свете наличия у многих производителей чипов планов построить новые крупные предприятия в США.

Как отмечается, функционировать новое предприятие GlobalWafers в техасском Шермане начнёт в течение двух лет, оно обеспечит работой не менее 1500 человек и потребует инвестиций в размере $5 млрд. Строительство ведётся на участке площадью примерно 58 га, что оставляет достаточно места для будущего расширения производства при наличии такой необходимости.

Холдинг «Росэлектроника» (входит в состав госкорпорации «Ростех») продемонстрировал на проходящей в эти дни выставке «Иннопром» образец монокристаллического кремния, который создан полностью из российских материалов. Технология, использованная при его создании, позволит полностью заместить иностранное сырьё при производстве кремниевых пластин для создания электронных силовых приборов.

Применённая здесь технология синтеза монокристаллического кремния создана специалистами НПП «Салют» Холдинга «Росэлектроника» совместно с Институтом физики микроструктур РАН и Институтом химии высокочистых веществ РАН по заказу Минпромторга России. Конечный материал получается в несколько этапов. Сначала порошок металлургического кремния или диоксид кремния используется для синтеза моносилана. После этого из моносилана получают поликристаллический кремний, который служит основой для создания монокристаллического кремния.

«Ростех» освоил технологию собственного производства из российских материалов монокристаллического кремния с удельным электрическим сопротивлением более 1000 Ом-сантиметров. Благодаря этому возможно полностью импортозаместить поставки иностранного сырья, которое использовалось для производства кремниевых пластин для электронных силовых приборов, например, транзисторов, термисторов, силовых выпрямителей тока. На "Иннопроме" мы демонстрируем опытный образец диаметром 107 мм», — прокомментировал данный вопрос генеральный директор НПП «Салют» Александр Бушуев.

Из такого кристалла можно нарезать пластины стандартного диаметра 100-мм, на которых в дальнейшем печатаются различные полупроводники, в частности, силовая электроника. В теории, на таких пластинах можно создавать и микросхемы, хотя большинство современного и относительно современного оборудования оперирует 200- и 300-мм пластинами.

Многим хорошо известна проблема охлаждения процессоров и других чипов. По мере снижения технологических норм производства острота проблемы нарастает, поскольку плотность энергии значительно растёт. Как выяснили учёные, кремний может повысить эффективность отвода тепла только за счёт повышения своей изотопной чистоты. Опыты показали, что «естественный» теплоотвод чипов можно увеличить до 2,5 раз.

Источник изображения: Junqiao Wu/Berkeley Lab

Как известно, весь кремний в нашей природе состоит из трёх стабильных форм изотопов: примерно 92 % это кремний-28 (²⁸Si), 5 % — кремний-29 (²⁹Si) и 3 % — кремний-30 (³⁰Si). Для производства чипов никто кремний не очищает, хотя ранние исследования показали, что изотоп кремний-28 обладает лучшей среди всех изотопов кремния теплопроводностью, а вкрапления примесей ²⁹Si и ³⁰Si прерывают тепловые потоки. Считалось, что выигрыш едва превышает 10 % при значительно растущих затратах на очистку.

Учёные из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли поставили эксперимент, в ходе которого попытались оценить степень влияния очистки кремния на теплоотвод. Они соединили два термоэлемента нанопроводками шириной 90 нм и провели измерения теплопередачи. Выяснилось, что чистый кремний-28 улучшает перенос тепла от нагревательного элемента к другому на 150 %, а не на 10 %, как считалось ранее. При ближайшем рассмотрении оказалось, что поверхность нанопроволоки покрылась диоксидом кремния, что предотвратило паразитное рассеивание тепла по всей поверхности нанопроволоки, а тепловой поток сконцентрировался по её центру.

Учёные не дают никаких рецептов для организации теплоотвода от чипов по-новому. Но они показали возможность кратного повышения эффективности отвода тепла от кристаллов, что будет стоить свеч — затрат на производство изотопно-чистого кремния для будущих чипов.

Ещё прошлой осенью компания Mercedes-Benz продемонстрировала на выставке IAA Mobility концепт EQC, которому суждено стать предвестником электрической версии легендарного «Гелендвагена» — тяжёлой полноприводной машины, которая по своим габаритным размерам уступает американским конкурентам. Именно на этой модели должны дебютировать батареи нового типа с повышенным содержанием кремния в аноде, которые обеспечат внедорожник достаточным запасом хода.

Источник изображения: Mercedes-Benz

Как поясняет пресс-релиз на сайте немецкого автопроизводителя, к 2025 году свои плоды должно принести многолетнее сотрудничество с молодой калифорнийской компанией Sila Nanotechnologies, которая была основана в 2011 году, а восемью годами позже начала получать финансирование со стороны Mercedes-Benz. Разработки компании направлены на создание анодов для литиевых аккумуляторов, которые благодаря высокому содержанию кремния позволяют увеличить плотность хранения энергии на 20‒40 % до 800 Вт‧ч на литр объёма тяговой батареи. Именно в электрической версии G-Class дебютируют такие батареи, которые будут выпускаться с использованием анодов производства Sila.

Последняя наладит производство необходимых компонентов на своём предприятии в штате Вашингтон, на строительство которого выделено несколько сотен миллионов долларов. Эта площадка изначально будет на 100 % использовать энергию из возобновляемых источников и начнёт работу в 2024 году. Хотя Mercedes-Benz и будет первым коммерческим клиентом Sila, вряд ли останется единственным, поскольку стартап сотрудничает и с конкурирующей BMW. Компанию Sila основал бывший специалист Tesla, в прошлом году ей удалось привлечь около $590 млн инвестиций, а текущая капитализация стартапа оценивается в $3,3 млрд.