Шта је најчешћи полупроводник? Прича иза Силицијумовог дављења у модерној електроници

Уђите у било коју лабораторију за електронику и питајте који материјал држи инжењере запослене и сваки пут ћете чути исту реч. Силицијум. То је био одговор толико дуго да се питање више једва поставља. Читав регион Калифорније носи његово име. На њему се граде највеће светске компаније, буквално и финансијски. Али силицијум није стигао на ову позицију јер је неко одлучио да је то најбољи полупроводник који се може замислити. До тога је дошло комбинацијом добре хемије, срећног тајминга и врсте индустријског замаха који је скоро немогуће преокренути када крене.

 

 

Семицондуцтор

 

Није почело са силицијумом

Први транзистор није направљен од силикона. Када су Бардин и Братејн демонстрирали свој уређај у Белл Лабс-у у децембру 1947. године, материјал испод њихових златних контаката био је германијум. За то су постојали добри разлози. Германијум је било лакше пречистити до нивоа које је захтевао рани рад полупроводника, а електрони су се кретали кроз њега слободније него кроз силицијум на напонима које су истраживачи користили. Да сте 1950. били физичар и кладили се на то који материјал ће доминирати у електронској индустрији, германијум не би био неразуман избор.

Свеједно је изгубљено. А начин на који је изгубио говори нешто важно о томе како се технологија заправо развија, што је ретко на путу који на почетку изгледа најперспективније.

Германијумова фатална мана била је топлотна. Његов појас је на 0,67 електрон-волти, довољно уски да су растуће температуре узроковале да уређаји пропуштају струју на начин на који инжењери нису могли лако да контролишу. Ставите германијумски транзистор у комад војног хардвера, или близу топле вакумске цеви, или једноставно у уређај који је радио сат времена, и његово понашање би се променило. Таква врста непредвидивости је подношљива у лабораторији. Није толерантно у производу.

 

Слој стакла који је променио производњу

Силицијум има појас од 1,1 електрон волта, што му је дало значајно бољу термичку стабилност. Уређаји изграђени на силицијуму могли су поуздано да раде на температурама које су узроковале лоше понашање германијума. Само то је можда било довољно да преокрене равнотежу. Али силицијум је имао другу предност коју нико није у потпуности предвидео, а испоставило се да је важнија од свега.

Када је силицијум изложен кисеонику, на његовој површини расте танак, тврд, уједначен слој силицијум диоксида. Силицијум диоксид је електрично изолован, хемијски стабилан и везује се за силицијум испод себе са конзистенцијом која се може контролисати и понављати у целој плочици. Када су инжењери касних 1950-их радили како да направе транзисторе на равној површини и споје их заједно са таложеним металом, тај природни слој оксида постао је суштински састојак. Служио је као изолациона баријера између компоненти. Можете га узгајати термички, урезати прозоре кроз њега киселином, нанети нове слојеве на њега, и све то урадити са довољно прецизности да дефинишете карактеристике које око не види.

Германијум нема такав оксид. Германијум диоксид се раствара у води и распада на температурама које захтева обрада полупроводника. Ово није био решив проблем бољим инжењерингом. То је била материјална својина и ефективно је дисквалификовала германијум из производног процеса у који се индустрија приближавала.

Силицијум је победио не само због онога што је био, већ због онога што је радио у окружењу за производњу. Планарном процесу је био потребан материјал са стабилним оксидом који се узгаја. Силицијум је имао једну. Из тога је следило све остало.

 

Како изгледа деведесет посто светских наполитанки

Силицијум сада чини више од деведесет процената свих полупроводничких плочица произведених у свету. То је супстрат за процесоре у вашем лаптопу, меморију у вашем телефону, сензор слике у вашој камери, транзистори снаге у контролеру компресора вашег фрижидера и соларне ћелије које се налазе на све већем броју кровова. Обим његовог присуства је тешко преценити.

Део онога што одржава ово је чист индустријски обим. Изградња модерног постројења за производњу силицијумских плочица кошта негде између десет и двадесет милијарди долара, а сваки алат у њему, сваки хемијски процес, сваки поступак контроле квалитета, развијан је и усавршаван деценијама имајући на уму посебно силицијум. Фоторезисти су формулисани за силицијум. Хемије нагризања су подешене за силицијум. Инжењери познају силицијум.

Оно о чему већина људи ван индустрије не размишља је пратећа инфраструктура која чини фантастичан рад. Производња полупроводника зависи од непрекидног протока ултра чисте воде, процесних гасова и агресивних хемијских нагризајућих материја које се крећу кроз пажљиво контролисане системе испоруке. Сваки пут течности у фабрици, од петљи дејонизоване воде које испирају плочице између корака до линија које носе флуороводоничну киселину за уклањање оксида, захтева компоненте које могу да поднесу корозивне медије без контаминације процеса. Акуглични вентил од нерђајућег челикаје једна од најчешћих контролних тачака у овим системима, која се користи за изолацију водова, регулисање протока и омогућавање одржавања без искључивања целе петље. Стандарди чистоће који се примењују на ове вентиле у полупроводничком окружењу су знатно захтевнији него у већини других индустрија, јер чак и трагови металне контаминације од лоше специфицираног фитинга могу уништити читаву серију плочица. Из тог разлога, фаб инжењери третирају избор сваког кугличног вентила од нерђајућег челика у систему за испоруку хемикалија са истом озбиљношћу коју уносе у спецификацију процесне опреме, преглед сертификата материјала, стандарде за завршну обраду површине и нивое загађивача који се могу издвојити пре него што се један вентил инсталира на линији.

Ово је слој индустрије који се ретко појављује у покривању чипова и производње, али је неопходан као и саме литографске машине. Када људи говоре о томе да је ланац снабдевања полупроводницима тешко реплицирати или измештати, они делимично говоре о овоме: акумулираној специфичности сваке компоненте у процесу, све до фитинга и хардвера за контролу протока унутар ормана за испоруку хемикалија.

 

ЛЕАДТЕК 2ПЦ куглични вентил од нерђајућег челика

 

Места на којима силицијум понестаје

Силицијум има стварна ограничења, а у одређеним применама та ограничења су престала да буду теоретски проблеми и почели су да буду стварни инжењерски проблеми.

Галијум нитрид има појас од 3,4 електрон волта, више од три пута од силицијумског. Тај шири јаз омогућава ГаН транзисторима да блокирају веће напоне, прелазе на вишим фреквенцијама и ефикасније расипају топлоту од силицијумских уређаја упоредиве величине. Брзи пуњачи који се испоручују са тренутним паметним телефонима и лаптопима користе ГаН транзисторе за напајање, а не силиконске, због чега могу да стану шездесет или сто вати могућности пуњења у нешто довољно мало да се заборави у џепу јакне. Силицијум би требао физички већи уређај да би обавио исти посао са истом ефикасношћу. ГаН појачала су такође централна за инфраструктуру базних станица 5Г, где границе фреквенције силикона постају чврсти плафон, а не мека смерница.

Силицијум карбид игра сличну улогу на вишим нивоима снаге, посебно тамо где је уклањање топлоте ограничење везивања. Његова топлотна проводљивост је отприлике три пута већа од силицијумске, што је важно када водите стотине киловата кроз претварач електричног возила. Неколико великих произвођача је пребацило своје вучне претвараче са силицијумских ИГБТ на модуле од силицијум карбида, а повећање ефикасности је било довољно реално да се види у бројкама домета.

Осим ова два, постоје материјали који изазивају значајан истраживачки интерес, али још нису ушли у главну производњу. Галијум оксид има појасни размак који се приближава пет електрон-волти и теоријске карактеристике пропадања које би га учиниле корисним у апликацијама на веома високом напону, али технологија за повећање -плоштина без дефекта у размери још увек се разрађује. Мобилност електрона графена је теоретски око двеста хиљада квадратних центиметара по волт-секунди, што је број који је патуљак од 1400 силицијумских, а истраживачи указују на тај број већ више од двадесет година, док практични графенски транзистори који се заправо такмиче са силицијумом у стварном колу остају углавном ван домашаја.

 

Искрена позиција

Силицијум је најчешћи полупроводник, и то ће остати дуже него што ће већина људи који тренутно раде у индустрији бити у близини. ГаН и СиЦ не замењују силицијум широко. Они освајају специфичне углове тржишта где је физика силицијума заиста престала да буде адекватна, а силицијум уступа те углове без велике борбе јер се тамошња економија окренула против њега.

Оно што се заправо мења је нешто суптилније. Током већег дела историје индустрије полупроводника, силицијум није био само најчешћи материјал. Био је то претпостављени материјал, почетна тачка за било који разговор о дизајну, подразумевана од које сте одступили само када сте имали необично јак разлог за то. Та претпоставка попушта на ивицама. Не рушити, не бити свргнут, само олабавити. Најчешћи полупроводник је и даље силицијум. Најзанимљивије питање у полупроводничким материјалима тренутно је где силицијум престаје да буде очигледан одговор и шта испуњава простор који оставља за собом.