Koji je najčešći poluvodič? Priča iza silicijevog pritiska na modernu elektroniku

Uđite u bilo koji elektronički laboratorij i pitajte koji materijal zadržava zaposlenje inženjera, i svaki put ćete čuti istu riječ. Silicij. Toliko je dugo bio odgovor da se to pitanje jedva više postavlja. Čitava regija Kalifornije nosi njegovo ime. Na njemu su izgrađene najveće svjetske tvrtke, doslovno i financijski. Ali silicij nije došao do ove pozicije jer je netko odlučio da je to najbolji poluvodič koji se može zamisliti. Dospjelo je tamo kroz kombinaciju dobre kemije, sretnog vremena i vrste industrijskog zamaha koji je gotovo nemoguće preokrenuti kada jednom krene.

 

 

Poluvodič

 

Nije počelo sa silikonom

Prvi tranzistor nije bio napravljen od silicija. Kad su Bardeen i Brattain demonstrirali svoj uređaj u Bell Labsu u prosincu 1947., materijal ispod njihovih zlatnih kontakata bio je germanij. Za to su postojali dobri razlozi. Germanij je bilo lakše pročistiti do razina koje su zahtijevale rane poluvodičke radove, a elektroni su se kroz njega kretali slobodnije nego kroz silicij na naponima koje su koristili istraživači. Da ste bili fizičar 1950. godine i kladio se na to koji će materijal dominirati elektroničkom industrijom, germanij ne bi bio nerazuman izbor.

Svejedno je izgubljeno. A način na koji je izgubljena govori nešto važno o tome kako se tehnologija zapravo razvija, što rijetko ide putem koji na početku izgleda najviše obećavajuće.

Kobna mana Germanija bila je toplinska. Njegov razmak između pojaseva iznosi 0,67 elektron volti, dovoljno uzak da rastuće temperature uzrokuju curenje struje iz uređaja na načine koje inženjeri nisu mogli lako kontrolirati. Stavite germanijev tranzistor unutar komada vojne opreme, ili blizu tople vakuumske cijevi, ili jednostavno u uređaj koji je radio sat vremena, i njegovo ponašanje će se promijeniti. Takva vrsta nepredvidivosti je podnošljiva u laboratoriju. Nije tolerantno u proizvodu.

 

Sloj stakla koji je promijenio proizvodnju

Silicij ima razmak između pojaseva od 1,1 elektron volta, što mu daje znatno bolju toplinsku stabilnost. Uređaji izgrađeni na siliciju mogli su pouzdano raditi na temperaturama koje su uzrokovale loše ponašanje germanija. Samo je to moglo biti dovoljno da prevrne ravnotežu. Ali silicij je imao drugu prednost koju nitko nije u potpunosti predvidio, a pokazalo se da je važnija od svega drugog.

Kada je silicij izložen kisiku, na njegovoj površini raste tanak, čvrst, jednoličan sloj silicijevog dioksida. Silicijev dioksid je električki izolacijski, kemijski stabilan i veže se za silicij ispod njega s konzistencijom koja se može kontrolirati i ponoviti na cijeloj pločici. Kad su inženjeri kasnih 1950-ih radili na tome kako izgraditi tranzistore na ravnoj površini i spojiti ih zajedno s nataloženim metalom, taj izvorni sloj oksida postao je bitan sastojak. Služio je kao izolacijska barijera između komponenti. Mogli biste ga uzgojiti termički, kroz njega kiselinom urezati prozore, nanijeti nove slojeve na njega i sve to učiniti s dovoljno preciznosti da definirate značajke koje oko ne može vidjeti.

Germanij nema takav oksid. Germanijev dioksid se otapa u vodi i raspada na temperaturama koje zahtijeva obrada poluvodiča. To nije bio rješiv problem uz bolji inženjering. Bilo je to materijalno svojstvo i djelotvorno je diskvalificiralo germanij iz procesa proizvodnje kojem se industrija približavala.

Silicij nije pobijedio samo zbog onoga što je bio, već zbog onoga što je činio unutar proizvodnog okruženja. Za planarni proces bio je potreban materijal sa stabilnim oksidom koji se može rasti. Silicij je imao jedan. Iz toga je slijedilo sve ostalo.

 

Kako izgleda devedeset posto svjetskih napolitanki

Silicij sada čini više od devedeset posto svih poluvodičkih ploča proizvedenih u svijetu. To je supstrat za procesore u vašem prijenosnom računalu, memoriju u vašem telefonu, senzor slike u vašem fotoaparatu, tranzistore snage u kontroleru kompresora vašeg hladnjaka i solarne ćelije koje idu na sve veći broj krovova. Teško je precijeniti širinu njegove prisutnosti.

Dio onoga što to održava je čisti industrijski razmjer. Izgradnja moderne tvornice za proizvodnju silikonskih pločica košta negdje između deset i dvadeset milijardi dolara, a svaki alat unutar nje, svaki kemijski proces, svaki postupak kontrole kvalitete, razvijan je i usavršavan tijekom desetljeća imajući na umu posebno silicij. Fotorezisti su formulirani za silicij. Kemikalije za jetkanje su podešene za silicij. Inženjeri poznaju silicij.

Ono o čemu većina ljudi izvan industrije ne razmišlja jest prateća infrastruktura koja omogućuje uspješan rad. Proizvodnja poluvodiča ovisi o neprekinutom protoku ultračiste vode, procesnih plinova i agresivnih kemijskih sredstava za nagrizanje koji se kreću kroz pažljivo kontrolirane sustave isporuke. Svaki put tekućine u tvornici, od krugova deionizirane vode koji ispiru pločice između koraka do vodova koji prenose fluorovodičnu kiselinu za uklanjanje oksida, zahtijeva komponente koje se mogu nositi s korozivnim medijima bez kontaminacije procesa. Akuglasti ventil od nehrđajućeg čelikaje jedna od najčešćih kontrolnih točaka u tim sustavima, 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 znatno su zahtjevniji nego u većini drugih industrija, jer čak i tragovi metalne kontaminacije od loše specificiranog priključka mogu uništiti cijelu seriju pločica. Iz tog razloga, fab inženjeri pristupaju odabiru svakog kuglastog ventila od nehrđajućeg čelika u sustavu za isporuku kemikalija s istom ozbiljnošću koju pridaju specifikaciji procesne opreme, pregledu certifikata materijala, standarda završne obrade površine i razina kontaminanata koji se mogu izvući prije nego što se jedan ventil ugradi na liniju.

Ovo je sloj industrije koji se rijetko pojavljuje u pokrivanju čipova i proizvodnje, ali je bitan kao i sami strojevi za litografiju. Kad ljudi govore o tome da je lanac opskrbe poluvodiča teško replicirati ili premjestiti, oni djelomično govore o ovome: akumulirana specifičnost svake komponente u procesu, sve do spojnica i hardvera za kontrolu protoka unutar ormara za isporuku kemikalija.

 

LEADTEK 2PC kuglasti ventil od nehrđajućeg čelika

 

Mjesta na kojima silicij ponestaje

Silicij ima stvarna ograničenja, au određenim primjenama ta ograničenja su prestala biti teorijska pitanja i postala stvarni inženjerski problem.

Galijev nitrid ima propusni opseg od 3,4 elektron volta, više od tri puta više od silicija. Taj širi razmak omogućuje GaN tranzistorima da blokiraju više napone, prebacuju se na višim frekvencijama i rasipaju toplinu učinkovitije od silikonskog uređaja usporedive veličine. Brzi punjači koji se isporučuju s trenutnim pametnim telefonima i prijenosnim računalima koriste GaN tranzistore snage umjesto silikonskih, zbog čega mogu stati šezdeset ili sto vata kapaciteta punjenja u nešto dovoljno malo da se zaboravi u džepu jakne. Silicij bi trebao fizički veći uređaj za obavljanje istog posla uz istu učinkovitost. GaN pojačala također su ključna za infrastrukturu 5G baznih stanica, gdje frekvencijska ograničenja silicija postaju čvrsti strop, a ne meka smjernica.

Silicijev karbid igra sličnu ulogu na višim razinama snage, osobito tamo gdje je uklanjanje topline obvezujuće ograničenje. Njegova toplinska vodljivost je otprilike tri puta veća od silicija, što je važno kada usmjeravate stotine kilovata kroz pretvarač električnog vozila. Nekoliko velikih proizvođača premjestilo je svoje vučne pretvarače sa silikonskih IGBT-ova na module od silicij-karbida, a dobici u učinkovitosti bili su dovoljno stvarni da se vide u brojkama dometa vožnje.

Osim ova dva, postoje materijali koji izazivaju značajan istraživački interes, ali još nisu ušli u glavnu proizvodnju. Galijev oksid ima razmak između pojaseva koji se približava pet elektron volti i teoretske karakteristike proboja koje bi ga učinile korisnim u primjenama s vrlo visokim naponom, ali tehnologija za uzgoj-vafera bez kvarova u velikom broju još se razrađuje. Mobilnost elektrona grafena je teoretski oko dvjesto tisuća kvadratnih centimetara po voltu-sekundi, što je broj koji zasjenjuje silicijevu tisuću četrnaest stotina, a istraživači ukazuju na taj broj veći dio dvadeset godina dok praktični grafenski tranzistori koji se zapravo natječu sa silicijem u stvarnom krugu ostaju uglavnom nedostižni.

 

Iskrena pozicija

Silicij je najčešći poluvodič, i to će ostati dulje nego što će većina ljudi koji trenutno rade u industriji vidjeti. GaN i SiC ne istiskuju silicij u velikoj mjeri. Oni osvajaju određene kutove tržišta u kojima je fizika silicija zaista prestala biti adekvatna, a silicij ustupa te kutove bez velike borbe jer se tamošnja ekonomija okrenula protiv njega.

Ono što se zapravo mijenja je nešto suptilnije. Veći dio povijesti industrije poluvodiča silicij nije bio samo najčešći materijal. Bio je to pretpostavljeni materijal, polazište za svaki razgovor o dizajnu, zadana vrijednost od koje ste odstupili samo kada ste za to imali neobično jak razlog. Ta pretpostavka labavi na rubovima. Ne urušavanje, ne svrgavanje, samo olabavljenje. Najčešći poluvodič je još uvijek silicij. Trenutno je najzanimljivije pitanje u poluvodičkim materijalima gdje silicij prestaje biti očiti odgovor i što ispunjava prostor koji ostavlja iza sebe.