Koji je najčešći poluvodič? Priča iza Silicijumovog Stranglehold on Modern Electronics

Uđite u bilo koju laboratoriju za elektroniku i pitajte koji materijal drži inženjere zaposlene i svaki put ćete čuti istu riječ. Silicijum. To je bio odgovor toliko dugo da se pitanje više jedva postavlja. Cijeli region Kalifornije nosi njegovo ime. Na njemu su izgrađene najveće kompanije na svijetu, bukvalno i finansijski. Ali silicijum nije stigao na ovu poziciju jer je neko odlučio da je to najbolji poluprovodnik koji se može zamisliti. Do toga je došlo kombinacijom dobre hemije, srećnog tajminga i vrste industrijskog zamaha koji je gotovo nemoguće preokrenuti kada krene.

 

 

Semiconductor

 

Nije počelo sa silicijumom

Prvi tranzistor nije bio napravljen od silikona. Kada su Bardeen i Brattain demonstrirali svoj uređaj u Bell Labsu u decembru 1947. godine, materijal ispod njihovih zlatnih kontakata bio je germanij. Za to su postojali dobri razlozi. Germanij je bilo lakše prečistiti do nivoa koje je zahtijevao rani rad poluprovodnika, a elektroni su se kretali kroz njega slobodnije nego kroz silicijum na naponima koje su istraživači koristili. Da ste 1950. bili fizičar i kladili se na to koji materijal će dominirati u elektronskoj industriji, germanij ne bi bio nerazuman izbor.

Svejedno je izgubljeno. A način na koji je izgubio govori nešto važno o tome kako se tehnologija zapravo razvija, što je rijetko na putu koji na početku izgleda najperspektivnije.

Germanijumova fatalna mana bila je toplotna. Njegov pojas je na 0,67 elektron-volti, dovoljno uzak da su rastuće temperature uzrokovale da uređaji propuštaju struju na način na koji inženjeri nisu mogli lako kontrolisati. Stavite germanijumski tranzistor unutar komada vojnog hardvera, ili blizu tople vakuumske cijevi, ili jednostavno u uređaj koji je radio sat vremena, i njegovo ponašanje bi se promijenilo. Takva vrsta nepredvidivosti je podnošljiva u laboratoriji. Nije tolerantno u proizvodu.

 

Sloj stakla koji je promijenio proizvodnju

Silicijum ima pojas od 1,1 elektron volta, što mu je dalo značajno bolju termičku stabilnost. Uređaji izgrađeni na silicijumu mogli su pouzdano raditi na temperaturama koje su uzrokovale loše ponašanje germanija. Samo to je možda bilo dovoljno da se preokrene ravnoteža. Ali silicijum je imao drugu prednost koju niko nije u potpunosti očekivao, a ispostavilo se da je važnija od svega drugog.

Kada je silicijum izložen kiseoniku, na njegovoj površini raste tanak, tvrd, ujednačen sloj silicijum dioksida. Silicijum dioksid je električna izolacija, hemijski stabilan i vezuje se za silicijum ispod sebe sa konzistencijom koja se može kontrolisati i ponavljati u celoj pločici. Kada su inženjeri kasnih 1950-ih radili kako da naprave tranzistore na ravnoj površini i spoje ih zajedno sa taloženim metalom, taj prirodni sloj oksida postao je osnovni sastojak. Služio je kao izolaciona barijera između komponenti. Mogli biste ga uzgajati termički, urezati prozore kroz njega kiselinom, nanijeti nove slojeve na njega, i sve to učiniti s dovoljno preciznosti da definirate karakteristike koje oko ne može vidjeti.

Germanijum nema takav oksid. Germanij dioksid se otapa u vodi i raspada se na temperaturama koje su potrebne za obradu poluvodiča. To nije bio rješiv problem boljim inženjeringom. Bio je to materijalno svojstvo i efektivno je diskvalifikovao germanijum iz proizvodnog procesa kojem se industrija približavala.

Silicijum je pobedio ne samo zbog onoga što je bio, već zbog onoga što je radio u okruženju za proizvodnju. Planarnom procesu bio je potreban materijal sa stabilnim, rastućim oksidom. Silicijum je imao jednu. Sve ostalo je proizašlo iz toga.

 

Kako izgleda devedeset posto svjetskih napolitanki

Silicijum sada čini više od devedeset posto svih poluprovodničkih pločica proizvedenih na globalnom nivou. To je supstrat za procesore u vašem laptopu, memoriju u vašem telefonu, senzor slike u vašoj kameri, tranzistori snage u kontroleru kompresora vašeg frižidera i solarne ćelije koje se nalaze na sve većem broju krovova. Širinu njegovog prisustva teško je precijeniti.

Dio onoga što održava ovo je čist industrijski razmjer. Izgradnja modernog postrojenja za proizvodnju silicijumskih pločica košta između deset i dvadeset milijardi dolara, a svaki alat u njemu, svaki hemijski proces, svaki postupak kontrole kvaliteta, razvijan je i usavršavan decenijama imajući na umu posebno silicijum. Fotorezisti su formulisani za silicijum. Hemije jetkanja su podešene za silicijum. Inženjeri poznaju silicijum.

Ono o čemu većina ljudi izvan industrije ne razmišlja je prateća infrastruktura koja čini fantastičan rad. Proizvodnja poluprovodnika zavisi od neprekidnog protoka ultra čiste vode, procesnih gasova i agresivnih hemijskih nagrizajućih materija koje se kreću kroz pažljivo kontrolisane sisteme isporuke. Svaki put fluida u fabrici, od petlji za deioniziranu vodu koje ispiraju pločice između koraka do linija koje nose fluorovodoničnu kiselinu za uklanjanje oksida, zahtijeva komponente koje mogu podnijeti korozivne medije bez kontaminacije procesa. Akuglični ventil od nerđajućeg čelikaje jedna od najčešćih kontrolnih tačaka u ovim sistemima, koja se koristi za izolaciju vodova, regulaciju protoka i omogućavanje održavanja bez gašenja cijele petlje. Standardi čistoće koji se primjenjuju na ove ventile u poluvodičkom okruženju su znatno zahtjevniji nego u većini drugih industrija, jer čak i tragovi metalne kontaminacije od loše specificiranog spoja mogu uništiti cijelu seriju pločica. Iz tog razloga, fab inženjeri tretiraju izbor svakog kuglastog ventila od nerđajućeg čelika u sistemu za isporuku hemikalija sa istom ozbiljnošću koju unose u specifikaciju procesne opreme, preispitivanje sertifikata materijala, standarda za završnu obradu površine i nivoa zagađivača koji se može izdvojiti pre nego što se jedan ventil instalira na liniji.

Ovo je sloj industrije koji se rijetko pojavljuje u pokrivanju čipova i proizvodnje, ali je jednako bitan kao i same litografske mašine. Kada ljudi govore o tome da je lanac nabavke poluvodiča teško replicirati ili premjestiti, oni dijelom govore o ovome: akumuliranoj specifičnosti svake komponente u procesu, sve do armatura i hardvera za kontrolu protoka unutar ormarića za isporuku kemikalija.

 

LEADTEK 2PC kuglični ventil od nehrđajućeg čelika

 

Mjesta na kojima silicij ponestaje

Silicijum ima stvarna ograničenja, au određenim aplikacijama te granice su prestale da budu teorijske brige i postale su stvarni inženjerski problemi.

Galijev nitrid ima pojas od 3,4 elektron-volta, više od tri puta od silicijumskog. Taj širi jaz omogućava GaN tranzistorima da blokiraju veće napone, prebacuju se na višim frekvencijama i efikasnije rasipaju toplinu od silikonskog uređaja slične veličine. Brzi punjači koji se isporučuju sa trenutnim pametnim telefonima i laptopima koriste GaN tranzistore za napajanje, a ne silikonske, zbog čega mogu stati šezdeset ili sto vati mogućnosti punjenja u nešto dovoljno malo da se zaboravi u džepu jakne. Silicijum bi trebao fizički veći uređaj da obavi isti posao uz istu efikasnost. GaN pojačala su takođe centralna za infrastrukturu baznih stanica 5G, gde granice frekvencije silikona postaju čvrsti plafon, a ne meka smernica.

Silicijum karbid igra sličnu ulogu na višim nivoima snage, posebno tamo gde je uklanjanje toplote ograničenje vezivanja. Njegova toplotna provodljivost je otprilike tri puta veća od silicijuma, što je važno kada provodite stotine kilovata kroz inverter električnog vozila. Nekoliko velikih proizvođača premjestilo je svoje vučne pretvarače sa silikonskih IGBT na module od silicijum karbida, a povećanje efikasnosti je bilo dovoljno stvarno da se vidi u brojkama dometa.

Osim ova dva, postoje materijali koji izazivaju značajan istraživački interes, ali još nisu ušli u mainstream proizvodnju. Galijev oksid ima pojasni razmak koji se približava pet elektron-volti i teorijske karakteristike proboja koje bi ga učinile korisnim u primjenama na vrlo visokom naponu, ali tehnologija za uzgoj-ploština bez defekta u razmjeru se još uvijek razrađuje. Mobilnost elektrona grafena je teoretski oko dvije stotine hiljada kvadratnih centimetara po volt-sekundi, što je broj koji premašuje 1400 silicijumskih, a istraživači ukazuju na taj broj već više od dvadeset godina, dok praktični grafenski tranzistori koji se zapravo takmiče sa silicijumom u stvarnom kolu ostaju uglavnom izvan dosega.

 

Iskrena pozicija

Silicijum je najčešći poluprovodnik, i to će ostati duže nego što će većina ljudi koji trenutno rade u industriji biti u blizini. GaN i SiC ne istiskuju silicijum u velikoj meri. Oni osvajaju specifične uglove tržišta na kojima je fizika silicijuma zaista prestala da bude adekvatna, a silicijum ustupa te uglove bez velike borbe jer se tamošnja ekonomija okrenula protiv njega.

Ono što se zapravo mijenja je nešto suptilnije. Tokom većeg dela istorije industrije poluprovodnika, silicijum nije bio samo najčešći materijal. Bio je to pretpostavljeni materijal, početna tačka za bilo kakav razgovor o dizajnu, zadana vrijednost od koje ste odstupili samo kada ste za to imali neobično jak razlog. Ta pretpostavka popušta na rubovima. Ne rušiti, ne biti svrgnut, samo olabaviti. Najčešći poluprovodnik je i dalje silicijum. Najzanimljivije pitanje u poluvodičkim materijalima trenutno je gdje silicij prestaje biti očigledan odgovor i šta ispunjava prostor koji ostavlja za sobom.