Krzemu w elektronice nie wyprze żaden inny materiał przez najbliższych kilkadziesiąt lat. Innowacyjne materiały znajdują tylko pojedyncze zastosowania

Choć na świecie pojawiają się nowe technologie półprzewodnikowe, zdaniem ekspertów krzem pozostanie liderem pod względem wykorzystania w mikroelektronice przez najbliższych kilkadziesiąt lat. Innowacyjne materiały mogą go wypierać w pojedynczych zastosowaniach. Arsenek galu może być nadzieją w kwestii tworzenia ogniw fotowoltaicznych. Z kolei polski wynalazek, azotek galu, otwiera furtkę do miniaturyzacji, m.in. superszybkich ładowarek.

– Technologia krzemowa rozwijała się przez bardzo wiele lat, prawie w nieskończoność przyspieszając funkcjonowanie i działanie układów scalonych. Są tacy, którzy twierdzą, że dochodzimy do krańca jej możliwości, ale według mnie dzieli nas od tego jeszcze kilkadziesiąt lat. Krzem jest niedościgniony pod względem kosztów w stosunku do uzyskiwanych parametrów wyjściowych i ilości zużywanej energii, a do tego jest tak znakomicie poznany, że technologię krzemową można stale udoskonalać – ocenia w rozmowie z agencją informacyjną Newseria Innowacje prof. dr hab. inż. Romuald Beck, wicedyrektor ds. naukowych w CEZAMAT.

Technologia krzemowa jest podstawą rozwoju mikroelektroniki. Półprzewodnik ten jest materiałem, z którego wykonuje się chociażby procesory komputerowe.

– W tej technologii mówimy nadal o rozwoju przede wszystkim w dwóch przestrzeniach: mikroelektroniki i optoelektroniki, czyli fotonicznych elementów zbudowanych na podłożach półprzewodnikowych. To są dwie ogromne grupy zastosowań, dwie ogromne dziedziny, a żeby było ciekawiej takie, które coraz częściej próbujemy składać do jednego urządzenia, do jednego systemu po to, żeby w jednej przestrzeni wykorzystać wszystko to, co najlepsze po stronie elektronicznej, czyli posługiwanie się elektronami, i fotonicznej, czyli posługiwanie się fotonami. Wszystko po to, żeby było taniej, szybciej, lepiej – wskazuje prof. Romuald Beck.

Równolegle rozwijane są też inne technologie półprzewodnikowe. Jednym z takich materiałów jest arsenek galu, który posłużył już do zbudowania przez badaczy z niemieckiego Instytutu Fraunhofera innowacyjnych ogniw słonecznych. Przekształcają one niemal 36 proc. światła słonecznego w energię elektryczną. Tego typu ogniwa mogą znaleźć zastosowanie np. w samolotach z napędem elektrycznym i dronach. Jak podkreśla ekspert, materiał ten nie znalazł jednak szerszego zastosowania na rynku półprzewodników.

– Arsenek galu miał wyprzeć krzem z pozycji lidera. Co roku z ogromnym wysiłkiem powiększano liczbę elementów wykonywanych w arsenku galu i wydawało się, że to oznacza zdobywanie coraz większej części rynku. Technologie krzemowe rozwijały się jednak jeszcze szybciej. 10 proc. rynku to było maksimum, jakie przez ostatnich kilkanaście lat udało się arsenkowi galu uzyskać – podkreśla wicedyrektor ds. naukowych w CEZAMAT.

Kolejnym materiałem, który miał predyspozycje do zastąpienia krzemu, jest azotek galu. Ponad 20 lat temu Polacy opracowali metody jego wytwarzania i zastosowania w elektronice. To materiał o dużo lepszych właściwościach niż krzem, jednak prace nad zastosowaniem tego półprzewodnika w elektronice przyspieszyły dopiero w ciągu ostatnich kilku lat. Firma Xiaomi zbudowała już co prawda na jego bazie superszybkie, miniaturowe ładowarki o mocy 65 W, jednak ze względu na swoją krystaliczną formę azotek galu nie będzie w stanie całkowicie wyprzeć krzemu w mikroelektronice.

– Azotek galu świetnie się sprawdza w szczególnych przypadkach – w pracy w wysokich temperaturach, przy wysokich mocach i wysokich częstotliwościach. Ale już trudno sobie wyobrazić w tej chwili mikroprocesor, który miałby kilkadziesiąt miliardów tranzystorów wykonanych w tej technologii. Byłby za drogi i niezwykle trudny do wykonania – przekonuje prof. dr hab. inż. Romuald Beck.

Według Mordor Intelligence rynek półprzewodnikowych płytek krzemowych w 2020 roku wypracował przychody sięgające 10,8 mld dol., a do 2026 roku zwiększą się one do 15,4 mld dol.