Kaj je najpogostejši polprevodnik? Zgodba o silicijevem pritisku na sodobno elektroniko

Stopite v kateri koli laboratorij za elektroniko in vprašajte, kateri materiali dajejo zaposlitev inženirjem, in vsakič boste slišali isto besedo. Silicij. Odgovor je že tako dolgo, da se vprašanje komajda več zastavi. Celotna regija Kalifornije nosi njegovo ime. Največja podjetja na svetu so zgrajena na tem, dobesedno in finančno. Toda silicij ni prišel do tega položaja, ker se je nekdo odločil, da je to najboljši polprevodnik, ki si ga lahko zamislite. Tja je prišlo zaradi kombinacije dobre kemije, srečnega časa in vrste industrijskega zagona, ki ga je skoraj nemogoče obrniti, ko se začne.

 

 

Polprevodnik

 

Ni se začelo s silicijem

Prvi tranzistor ni bil narejen iz silicija. Ko sta Bardeen in Brattain decembra 1947 predstavila svojo napravo v Bell Labs, je bil material pod njunimi zlatimi kontakti germanij. Za to so bili dobri razlogi. Germanij je bilo lažje očistiti do ravni, ki so jo zahtevala zgodnja polprevodniška dela, in elektroni so se skozenj gibali bolj prosto kot skozi silicij pri napetostih, ki so jih uporabljali raziskovalci. Če bi leta 1950 kot fizik stavili, kateri material bo prevladal v elektronski industriji, germanij ne bi bil nerazumna izbira.

Vseeno je izgubljeno. In način, kako je izgubila, pove nekaj pomembnega o tem, kako se tehnologija dejansko razvija, kar je redko na poti, ki je na začetku videti najbolj obetavna.

Germanijeva usodna napaka je bila termična. Njegov pasovni razpon znaša 0,67 elektronvolta, kar je dovolj ozko, da so naraščajoče temperature povzročile puščanje toka v napravah na načine, ki jih inženirji niso mogli enostavno nadzorovati. Postavite germanijev tranzistor v kos vojaške strojne opreme ali blizu vroče vakuumske cevi ali preprosto v napravo, ki je delovala eno uro, in njegovo obnašanje bi se spremenilo. Takšna nepredvidljivost je v laboratoriju sprejemljiva. V izdelku ni sprejemljivo.

 

Plast stekla, ki je spremenila proizvodnjo

Silicij ima pasovno razdaljo 1,1 elektronvolta, kar mu daje občutno boljšo toplotno stabilnost. Naprave, zgrajene na siliciju, bi lahko zanesljivo delovale pri temperaturah, zaradi katerih bi se germanij slabo obnašal. Že samo to bi bilo morda dovolj, da bi prevrnilo tehtnico. Toda silicij je imel drugo prednost, ki je nihče ni povsem predvidel, in izkazalo se je, da je pomembna bolj kot karkoli drugega.

Ko je silicij izpostavljen kisiku, na njegovi površini nastane tanek, trd, enoten sloj silicijevega dioksida. Silicijev dioksid je električno izolativen, kemično stabilen in se veže na silicij pod njim s konsistenco, ki jo je mogoče nadzorovati in ponoviti na celotni rezini. Ko so inženirji v poznih petdesetih letih prejšnjega stoletja razmišljali o tem, kako zgraditi tranzistorje na ravni površini in jih povezati z nanešeno kovino, je ta izvorni oksidni sloj postal bistvena sestavina. Služil je kot izolacijska pregrada med komponentami. Lahko bi ga gojili termično, skozi njega s kislino jedkali okna, nanj nalagali nove plasti in vse to naredili dovolj natančno, da bi definirali značilnosti, ki jih oko ne vidi.

Germanij nima takega oksida. Germanijev dioksid se raztopi v vodi in razpade pri temperaturah, ki jih zahteva obdelava polprevodnikov. To ni bil rešljiv problem z boljšim inženiringom. To je bila materialna lastnina in je dejansko diskvalificirala germanij iz proizvodnega procesa, ki ga je industrija konvergirala.

Silicij ni zmagal zgolj zaradi tega, kar je bil, temveč zaradi tega, kar je naredil v proizvodnem okolju. Planarni postopek je potreboval material s stabilnim oksidom, ki ga je mogoče rasti. Silicij je imel enega. Iz tega je sledilo vse ostalo.

 

Kako je videti devetdeset odstotkov svetovnih napolitank

Silicij zdaj predstavlja več kot devetdeset odstotkov vseh polprevodniških rezin, proizvedenih po vsem svetu. Je podlaga za procesorje v vašem prenosnem računalniku, pomnilnik v vašem telefonu, slikovni senzor v vašem fotoaparatu, močnostne tranzistorje v krmilniku kompresorja vašega hladilnika in sončne celice, ki gredo na vedno več streh. Širino njegove prisotnosti je težko preceniti.

Del tega, kar podpira to, je čisti industrijski obseg. Gradnja sodobnega obrata za izdelavo silicijevih rezin stane nekje med deset in dvajset milijard dolarjev in vsako orodje v njem, vsak kemični proces, vsak postopek nadzora kakovosti je bil desetletja razvit in izpopolnjen z mislijo posebej na silicij. Fotorezisti so oblikovani za silicij. Kemikalije za jedkanje so prilagojene siliciju. Inženirji poznajo silicij.

Tisto, na kar večina ljudi zunaj industrije ne pomisli, je podporna infrastruktura, ki omogoča odlično delovanje. Proizvodnja polprevodnikov je odvisna od neprekinjenega pretoka ultračiste vode, procesnih plinov in agresivnih kemičnih jedkalnikov, ki se premikajo skozi skrbno nadzorovane dovodne sisteme. Vsaka tekočinska pot v tovarni, od deioniziranih vodnih zank, ki izpirajo rezine med koraki, do linij, ki prenašajo fluorovodikovo kislino za odstranjevanje oksidov, zahteva komponente, ki lahko obvladajo jedke medije, ne da bi onesnažile proces. Akrogelni ventil iz nerjavečega jeklaje ena najpogostejših kontrolnih točk v teh sistemih, ki se uporablja za izolacijo vodov, uravnavanje pretoka in omogoča vzdrževanje brez izklopa celotne zanke. Standardi čistosti, ki veljajo za te ventile v polprevodniškem okolju, so precej zahtevnejši kot v večini drugih industrij, saj lahko celo kontaminacija s kovino v sledovih iz slabo določenega priključka uniči celotno serijo rezin. Iz tega razloga tovarniški inženirji izbiro vsakega krogelnega ventila iz nerjavečega jekla v sistemu za dostavo kemikalij obravnavajo z enako resnostjo kot pri določanju procesne opreme, pregledu certifikatov materiala, standardih površinske obdelave in nivojih onesnaževal, ki jih je mogoče odstraniti, preden je en sam ventil nameščen na liniji.

To je plast industrije, ki se le redko pojavlja pri pokrivanju čipov in izdelave, vendar je tako bistvena kot litografski stroji sami. Ko ljudje govorijo o tem, da je dobavno verigo polprevodnikov težko ponoviti ali prestaviti, govorijo delno o tem: akumulirana specifičnost vsake komponente v procesu, vse do fitingov in strojne opreme za nadzor pretoka v ohišju za dostavo kemikalij.

 

LEADTEK 2PC krogelni ventil iz nerjavečega jekla

 

Mesta, kjer zmanjka silicija

Silicij ima resnične omejitve in v nekaterih aplikacijah te omejitve niso več teoretični pomisleki in so postale resnične inženirske težave.

Galijev nitrid ima pasovno razdaljo 3,4 elektronvolta, kar je več kot trikrat več od silicija. Ta širša vrzel omogoča tranzistorjem GaN, da blokirajo višje napetosti, preklapljajo pri višjih frekvencah in učinkoviteje odvajajo toploto kot silicijeva naprava primerljive velikosti. Hitri polnilniki, ki so priloženi trenutnim pametnim telefonom in prenosnim računalnikom, uporabljajo tranzistorje moči GaN namesto silicijevih, zato lahko spravijo šestdeset ali sto vatov zmogljivosti polnjenja v nekaj, kar je dovolj majhno, da ga pozabite v žepu jakne. Silicij bi potreboval fizično večjo napravo, da bi opravil isto delo z enako učinkovitostjo. Ojačevalniki GaN so tudi osrednji del infrastrukture baznih postaj 5G, kjer frekvenčne omejitve silicija postanejo trda zgornja meja in ne mehka smernica.

Silicijev karbid ima podobno vlogo pri višjih ravneh moči, zlasti tam, kjer je zavezujoča omejitev odvajanje toplote. Njegova toplotna prevodnost je približno trikrat večja od silicija, kar je pomembno, ko usmerjate stotine kilovatov skozi pretvornik električnega vozila. Več večjih proizvajalcev je svoje vlečne pretvornike premaknilo s silicijevih IGBT na module iz silicijevega karbida in povečana učinkovitost je bila dovolj resnična, da se je pokazala v številkah dosega vožnje.

Poleg teh dveh obstajajo materiali, ki povzročajo veliko raziskovalnega zanimanja, vendar še niso prešli v mainstream proizvodnjo. Galijev oksid ima pasovno razdaljo, ki se približuje petim elektronvoltom, in teoretične značilnosti preboja, zaradi katerih bi bil uporaben v zelo visokonapetostnih aplikacijah, vendar se tehnologija za gojenje rezin-brez napak v velikem obsegu še razvija. Mobilnost elektronov grafena je teoretično okoli dvesto tisoč kvadratnih centimetrov na volt-sekundo, kar je število, ki pritlikava silicijevo 1400, in raziskovalci na to številko opozarjajo že večji del dvajsetih let, medtem ko praktični grafenski tranzistorji, ki dejansko tekmujejo s silicijem v resničnem vezju, ostajajo večinoma nedosegljivi.

 

Iskreno stališče

Silicij je najpogostejši polprevodnik in tako bo ostal dlje, kot bo lahko videla večina ljudi, ki trenutno delajo v industriji. GaN in SiC ne izpodrivata silicija v veliki meri. Osvajajo posebne kotičke trga, kjer silicijeva fizika resnično ni več ustrezna, in silicij odstopa te kotičke brez večjega boja, ker se je tamkajšnja ekonomija obrnila proti njemu.

Kar se dejansko spreminja, je nekaj bolj subtilnega. Večino zgodovine industrije polprevodnikov silicij ni bil le najpogostejši material. To je bil domnevni material, izhodišče za vsak pogovor o oblikovanju, privzeto, od katerega ste se oddaljili šele, ko ste imeli neobičajno močan razlog za to. Ta predpostavka se rahlja na robovih. Ne sesuti, ne podrti, samo zrahljati. Najpogostejši polprevodnik je še vedno silicij. Najbolj zanimivo vprašanje pri polprevodniških materialih trenutno je, kje silicij preneha biti očiten odgovor in kaj zapolnjuje prostor, ki ga pusti za sabo.