นักวิทยาศาสตร์จีนประสบความสำเร็จในการผลิต "เซมิคอนดักเตอร์ทองคำ" แต่ต้นทุนวัสดุทำให้เกิดข้อสงสัยเกี่ยวกับความเป็นไปได้ทางการค้า

นักวิจัยจีนจาก Peking University และ Renmin University ได้พัฒนาวิธีการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ indium selenide คุณภาพสูงเป็นจำนวนมากสำเร็จแล้ว ซึ่งได้รับฉายาว่าเซมิคอนดักเตอร์ทองคำเนื่องจากมีคุณสมบัติด้านประสิทธิภาพที่เหนือกว่า ความก้าวหน้านี้ซึ่งตีพิมพ์ในนิตยสาร Science แสดงให้เห็นถึงก้าวสำคัญในการสร้างชิปที่สามารถมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเทคโนโลยีที่ใช้ซิลิคอนในปัจจุบัน

ความสำเร็จนี้มุ่งเน้นไปที่การแก้ไขปัญหาการผลิตที่สำคัญซึ่งป้องกันไม่ให้ indium selenide ก้าวไปไกลกว่าการวิจัยในห้องปฏิบัติการมาเป็นเวลานาน ทีมวิจัยได้พัฒนาเทคนิคนวัตกรรมที่เกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่ฟิล์ม indium selenide ที่ไม่มีรูปแบบผลึกร่วมกับ indium แข็งภายใต้สภาวะปิดผนึก สร้างส่วนต่อประสานของเหลวที่อุดมไปด้วย indium ซึ่งผลิตผลึกคุณภาพสูงที่มีอัตราส่วนอะตอม 1:1 ที่แม่นยำตามที่จำเป็นสำหรับประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุด

ต้นทุนและความพร้อมใช้งานของวัสดุ:

• ราคาอินเดียม: ประมาณ 390 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัม (เกรดเชิงพาณิชย์)
• อินเดียมเกรดเซมิคอนดักเตอร์: ต้นทุนสูงกว่า 10 เท่าขึ้นไป
• ความอุดมสมบูรณ์: คล้ายคลึงกับเงินแต่กระจายตัวมากกว่า
• การพึ่งพาการผลิต: เป็นผลิตภัณฑ์พลอยได้จากการขุดสังกะสีเท่านั้น
• ขนาดเวเฟอร์ที่บรรลุได้: เส้นผ่านศูนย์กลาง 5 เซนติเมตร

ภาพระยะใกล้ของเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ แสดงให้เห็นความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

ข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพเหนือกว่าซิลิคอน

Indium selenide แสดงให้เห็นความเหนือกว่าที่น่าทึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับซิลิคอนในตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่สำคัญ วัสดุนี้มีความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูงกว่า 5-10 เท่า ทำงานในระดับความหนาของอะตอม มีแบนด์แก็ปที่ปรับได้ แสดงการรั่วไหลของพลังงานที่ต่ำกว่า และช่วยให้มีความเร็วในการสลับที่เร็วขึ้น คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้มันน่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานความเร็วสูงในปัญญาประดิษฐ์ ระบบขับขี่อัตโนมัติ และอุปกรณ์สื่อสารขั้นสูง

ทีมวิจัยผลิตเวเฟอร์เส้นผ่านศูนย์กลาง 5 เซนติเมตรสำเร็จและสร้างอาร์เรย์ทรานซิสเตอร์ขนาดใหญ่ที่เหมาะสำหรับการรวมเข้ากับอุปกรณ์ชิปโดยตรง ความสำเร็จนี้เป็นครั้งแรกที่ใครสามารถสร้างเวเฟอร์ indium selenide ขนาด 2 นิ้วที่มีความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำเพียงพอสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพระหว่าง Indium Selenide กับ Silicon :

• ความสามารถในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน: สูงกว่า silicon 5-10 เท่า
• ความหนา: สามารถทำให้บางได้ในระดับอะตอม
• แบนด์แก็ป: ปรับแต่งได้ (ในขณะที่ silicon มีค่าคงที่)
• การรั่วไหลของพลังงาน: ต่ำกว่า silicon
• ความเร็วในการสลับ: เร็วกว่า silicon

ข้อกังวลเรื่องต้นทุนและความหายาก

แม้จะมีความก้าวหน้าทางเทคนิค แต่ยังคงมีความท้าทายที่สำคัญเกี่ยวกับความเป็นไปได้ทางการค้า ทั้ง indium และ selenium อยู่ในอันดับธาตุที่หาได้น้อยที่สุดในโลก โดยมีความพร้อมใช้งานคล้ายกับเงิน แต่ต้องการกระบวนการสกัดที่ซับซ้อนกว่ามาก วัสดุเหล่านี้กระจายตัวอย่างมากในธรรมชาติ ทำให้การดำเนินงานเหมืองแร่เป็นเรื่องยากและมีค่าใช้จ่ายสูงเป็นพิเศษ

ปัจจุบัน indium มีราคาประมาณ 390 ดอลลาร์สหรัฐ ต่อกิโลกรัมสำหรับวัสดุบริสุทธิ์เชิงพาณิชย์ แต่ความบริสุทธิ์ระดับเซมิคอนดักเตอร์สามารถเพิ่มราคาได้มากกว่า 10 เท่า แหล่งสำรองทั่วโลกที่จำกัดหมายความว่าการเพิ่มขึ้นของความต้องการอย่างมีนัยสำคัญจะผลักดันราคาให้สูงขึ้นอย่างมาก เนื่องจากการผลิต indium ขึ้นอยู่กับผลพลอยได้จากการขุดสังกะสีทั้งหมด

ควรสังเกตว่านี่เป็นเทคโนโลยีสำหรับการผลิตวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงมาก แต่ก็มีต้นทุนสูงมาก ซึ่งเป็นต้นทุนที่ไม่สามารถลดได้ เพราะทั้ง indium และ selenium อยู่ในกลุมธาตุที่หาได้น้อยที่สุดในโลก

แอปพลิเคชันเป้าหมาย:

• อุปกรณ์สื่อสารความถี่สูง
• ระบบเรดาร์ทางทหาร
• อุปกรณ์ประมวลผล AI
• ระบบการขับขี่อัตโนมัติ
• เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์เฉพาะทาง
• ไม่เหมาะสำหรับ: CPU สำหรับผู้บริโภค, ชิปหน่วยความจำ, เซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้า

ขอบเขตการใช้งานที่จำกัด

ต้นทุนสูงและความหายากของวัสดุจะจำกัดการใช้งานให้อยู่ในการใช้งานเฉพาะทางที่มีมูลค่าสูงมากกว่าอิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภคในตลาดมวลชน ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมแนะนำว่า indium selenide จะพบช่องทางในระบบเรดาร์ทหาร อุปกรณ์สื่อสารความถี่สูง และเครื่องมือวิทยาศาสตร์เฉพาะทางที่ต้องการความสามารถในการประมวลผลสัญญาณความเร็วสูงที่ยอดเยี่ยม

เทคโนโลยีนี้ไม่น่าจะมาแทนที่ซิลิคอนในการใช้งานหลักเช่นโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ ชิปหน่วยความจำ หรือเซมิคอนดักเตอร์พลังงาน ซึ่งการพิจารณาต้นทุนยังคงเป็นสิ่งสำคัญที่สุด แต่มันแสดงถึงความก้าวหน้าสำหรับการใช้งานระดับพรีเมียมที่ประสิทธิภาพสามารถชดเชยราคาพรีเมียมได้

ความก้าวหน้านี้เปิดโอกาสใหม่สำหรับการพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์รุ่นใหม่ แม้ว่าเส้นทางสู่การยอมรับอย่างแพร่หลายจะขึ้นอยู่กับการหาวิธีจัดการกับความท้าทายด้านต้นทุนวัสดุที่มีอยู่ หรือการค้นพบการใช้งานทางเลือกที่ประโยชน์ด้านประสิทธิภาพมีค่ามากกว่าข้อจำกัดทางเศรษฐกิจ

อ้างอิง: China develops new method to mass-produce high-quality semiconductors