Στον αγώνα δρόμου για την απόλυτη υπεροχή στα ραντάρ, η Κίνα ετοιμάζεται να προσπεράσει τις Ηνωμένες Πολιτείες κατά δύο γενιές, χάρη σε μια ριζοσπαστική εξέλιξη στην τεχνολογία ημιαγωγών. Μια δημοσίευση του περασμένου μήνα υπόσχεται να επαναπροσδιορίσει το μέλλον των στρατιωτικών ηλεκτρονικών συστημάτων.
Ενώ η Πολεμική Αεροπορία των ΗΠΑ παλεύει να εκσυγχρονίσει τον στόλο της με συστήματα ραντάρ βασισμένα στο νιτρίδιο του γαλλίου (gallium nitride), οι Κινέζοι μηχανικοί πρωτοπορούν ήδη στην επόμενη γενιά: ημιαγωγούς οξειδίου του γαλλίου (gallium oxide) με ενσωματωμένες δυνατότητες αποθήκευσης δεδομένων.
Σήμερα, τα κινεζικά μαχητικά, από τα παλαιότερα J-10 μέχρι τα πιο σύγχρονα J-20 και J-35, διαθέτουν ραντάρ τρίτης γενιάς τεχνολογίας νιτριδίου του γαλλίου. Αυτά προσφέρουν ανώτερη εμβέλεια, αποδοτικότητα και αξιοπιστία σε σύγκριση με τα αντίστοιχα αμερικανικά, όπως το F-22, το οποίο εξακολουθεί να βασίζεται σε παλαιότερα συστήματα αρσενικούχου γαλλίου (gallium arsenide). Αξίζει να σημειωθεί ότι το σχέδιο του Πενταγώνου για αναβάθμιση του F-35 με ραντάρ νιτριδίου του γαλλίου έχει καθυστερήσει πέντε χρόνια, εν μέρει λόγω των στρατηγικών εξαγωγικών ελέγχων της Κίνας στο γαλλίο.
Μια πρόσφατη ανακάλυψη από την ομάδα του Wu Zhenping στο Πανεπιστήμιο Ταχυδρομείων και Τηλεπικοινωνιών του Πεκίνου, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science Advances στις 11 Φεβρουαρίου, άνοιξε ένα νέο μέτωπο στον αγώνα των ημιαγωγών. Για πρώτη φορά, επιβεβαιώθηκε πειραματικά ότι μια συγκεκριμένη κρυσταλλική φάση του οξειδίου του γαλλίου, γνωστή ως όξειδο του γαλλίου-κάπα (kappa-gallium oxide), παρουσιάζει σταθερή φεροηλεκτρικότητα σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να αποθηκεύει δεδομένα εγγενώς, όπως μια συσκευή μνήμης, ενώ ταυτόχρονα λειτουργεί ως στοιχείο μετάδοσης υψηλής ισχύος.
Η φεροηλεκτρικότητα είναι μια ειδική ιδιότητα ορισμένων κρυσταλλικών υλικών που επιτρέπει την αποθήκευση πληροφοριών μέσω εξωτερικών ηλεκτρικών σημάτων. Ενσωματώνοντας τη διαχείριση ισχύος και τη μη πτητική μνήμη σε ένα ενιαίο υλικό, το όξειδο του γαλλίου-κάπα εξαλείφει την ανάγκη για ξεχωριστά εξαρτήματα. Αυτό μειώνει δραστικά το μέγεθος των συστημάτων, ελαττώνει την κατανάλωση ενέργειας και ενισχύει την ανθεκτικότητα σε ακραία περιβάλλοντα – ακριβώς τις συνθήκες που αντιμετωπίζουν τα ραντάρ και τα συστήματα καθοδήγησης πυραύλων στα μαχητικά αεροσκάφη.
«Εστιάζουμε σε αυτόν τον τομέα ακριβώς επειδή ελπίζουμε να συνδυάσουμε αυτά τα δύο κύρια χαρακτηριστικά σε ένα ενιαίο υλικό», δήλωσε ο Wu Zhenping. «Εάν καταφέρουμε να ενσωματώσουμε την ακραία σταθερότητα του οξειδίου του γαλλίου – ενός ‘ημιαγωγού υψηλής θερμοκρασίας’ – με τις δυνατότητες αποθήκευσης των φεροηλεκτρικών υλικών, μπορούμε να αντιμετωπίσουμε μια βασική πρόκληση για τα πολυλειτουργικά ηλεκτρονικά σε ακραία περιβάλλοντα: την επίτευξη τόσο επεξεργασίας υψηλής ισχύος όσο και μη πτητικής αποθήκευσης. Αυτό προσφέρει μια νέα προοπτική για την ολοκλήρωση συσκευών υψηλής ισχύος στο μέλλον.»
Σε προηγούμενες εργασίες του, ο Wu είχε αποδείξει την αποτελεσματικότητα του οξειδίου του γαλλίου σε φωτοανιχνευτές υπεριώδους (UV) που είναι “solar-blind” (δηλαδή, δεν επηρεάζονται από την ηλιακή ακτινοβολία). Σε σύγκριση με άλλους ανιχνευτές UV, οι “solar-blind” συσκευές προσφέρουν ανώτερες δυνατότητες κατά των παρεμβολών με χαμηλό θόρυβο υποβάθρου, καθιστώντας τις ιδιαίτερα περιζήτητες για στρατιωτική παρακολούθηση, εντοπισμό πυραύλων και ασφάλεια δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας. Η ενσωμάτωση φεροηλεκτρικότητας σε φωτοανιχνευτές οξειδίου του γαλλίου θα μπορούσε να βελτιώσει την απόδοσή τους.
Το οξείδιο του γαλλίου έχει πέντε κύριες κρυσταλλικές φάσεις: άλφα, βήτα, γάμμα, δέλτα και κάπα. Από αυτές, η φάση κάπα προβλεπόταν να εμφανίζει φεροηλεκτρικότητα, υποδηλώνοντας ότι θα μπορούσε να αποθηκεύει πληροφορίες – αλλά αυτό δεν είχε επιβεβαιωθεί πειραματικά μέχρι πρότινος. Η ομάδα του Wu χρησιμοποίησε μια βιομηχανική μέθοδο για να αναπτύξει ένα άριστο, εξαιρετικά λεπτό στρώμα καθαρού οξειδίου του γαλλίου πάνω σε ένα υλικό βάσης. Αυτό παρείχε αδιαμφισβήτητη απόδειξη της εγγενούς φεροηλεκτρικότητας του υλικού σε θερμοκρασία δωματίου.
Τα πειράματα επιβεβαίωσαν ότι το υλικό μπορούσε να αποθηκεύει δεδομένα αξιόπιστα και να διατηρεί την απόδοσή του ακόμη και μετά από 10 εκατομμύρια επαναλαμβανόμενες λειτουργίες. «Η φεροηλεκτρικότητα του οξειδίου του γαλλίου-κάπα παραμένει σταθερή τόσο σε καθημερινά όσο και σε ακραία περιβάλλοντα, με ελάχιστη απώλεια. Η εξαιρετικά υψηλή ανθεκτικότητα στις επαναλήψεις που μετρήσαμε… το επιβεβαιώνει», ανέφερε ο Wu.
Στις σημερινές ηλεκτρονικές συσκευές, τα εξαρτήματα ισχύος και η μνήμη είναι ξεχωριστά, οδηγώντας σε μεγαλύτερα μεγέθη συσκευών, υψηλότερη κατανάλωση ενέργειας και προβλήματα διεπαφής από τη σύνδεση διαφορετικών υλικών – όλα αυτά υποβαθμίζουν τη συνολική απόδοση. Το όξειδο του γαλλίου-κάπα μπορεί να εκτελεί ταυτόχρονα έλεγχο ισχύος και αποθήκευση δεδομένων στο ίδιο τσιπ, εξαλείφοντας την ανάγκη ενσωμάτωσης διαφορετικών υλικών σε μελλοντικές συσκευές.
«Η εισαγωγή φεροηλεκτρικότητας σε φωτοανιχνευτές οξειδίου του γαλλίου αναμένεται πράγματι να φέρει σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση, καθιστώντας τους πιο ενεργειακά αποδοτικούς και αποτελεσματικούς», εξήγησε ο Wu. «Η πειραματική επικύρωση αυτού του χαρακτηριστικού παρέχει μια ισχυρή υλική βάση για τα συστήματα φωτονικής επόμενης γενιάς, χαμηλού θορύβου και υψηλής ευαισθησίας, τα οποία είναι ‘solar-blind’.»
Τον Μάρτιο του περασμένου έτους, η Hangzhou Garen Semiconductor – μια ιδιωτική εταιρεία που ιδρύθηκε το 2022 με κρατική και ακαδημαϊκή υποστήριξη – έγινε η πρώτη εταιρεία στον κόσμο που ανέπτυξε κρυστάλλους βήτα-οξειδίου του γαλλίου οκτώ ιντσών. Αυτή είναι η βιομηχανική κλίμακα που απαιτείται για τη μαζική παραγωγή των ισχυρών τσιπ που χρειάζονται για συστήματα υψηλής τεχνολογίας, όπως προηγμένα ραντάρ και συστήματα ισχύος ηλεκτρικών οχημάτων. Τον Οκτώβριο, η εταιρεία σημείωσε ορόσημο αναπτύσσοντας κρυστάλλους οξειδίου του γαλλίου έξι ιντσών υψηλής ποιότητας. Με την επικάλυψη του υλικού πάνω στον εαυτό του – μια διαδικασία που ονομάζεται ομοεπίταξη (homoepitaxy) – δημιούργησαν μια επιφάνεια εξαιρετικής καθαρότητας, αρκετά μεγάλη για τη μαζική παραγωγή της επόμενης γενιάς ηλεκτρονικών υψηλής ισχύος.
Η Κίνα αποτελεί το παγκόσμιο κέντρο για τα αποθέματα γαλλίου και την παραγωγή του. Κατά τις πρόσφατες «δύο συνεδριάσεις» της κινεζικής νομοθετικής και συμβουλευτικής συνέλευσης, ο Hao Yue, μέλος του Εθνικού Λαϊκού Κογκρέσου και ακαδημαϊκός της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, έκανε προτάσεις σχετικά με την ανάπτυξη της βιομηχανίας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. «Η χώρα μας κατέχει πάνω από το 95% των παγκόσμιων πόρων γαλλίου και έχει εφαρμόσει εξαγωγικούς ελέγχους σε βασικά υλικά ημιαγωγών όπως το γαλλίο και το γερμάνιο, γεγονός που αποτελεί βιομηχανικό πλεονέκτημα που άλλες χώρες δεν διαθέτουν», δήλωσε ο Hao. Πρότεινε ότι η Κίνα πρέπει να αξιοποιήσει αυτόν τον σπάνιο πόρο για να δημιουργήσει μια στρατηγική για την ανάπτυξη ανταγωνιστικών παγκόσμιων βιομηχανιών, συμπεριλαμβανομένων των σύνθετων ημιαγωγών, της τεχνολογίας οθονών και των νέων αισθητήρων.
