Jaki jest najpopularniejszy półprzewodnik? Historia kontroli krzemu nad nowoczesną elektroniką

Wejdź do dowolnego laboratorium elektronicznego i zapytaj, jaki materiał utrzymuje inżynierów w pracy, a za każdym razem usłyszysz to samo słowo. Krzem. Odpowiedź była już tak długa, że ​​pytanie to już prawie nie jest zadawane. Cały region Kalifornii nosi tę nazwę. Na nim zbudowane są największe firmy na świecie, dosłownie i finansowo. Ale krzem nie dotarł do tego miejsca, ponieważ ktoś zdecydował, że jest to najlepszy półprzewodnik, jaki można sobie wyobrazić. Dotarło to do skutku dzięki połączeniu dobrej chemii, szczęśliwego wyczucia czasu i dynamiki przemysłowej, której prawie nie da się odwrócić, gdy już się rozkręci.

 

 

Półprzewodnik

 

Nie zaczęło się od krzemu

Pierwszy tranzystor nie był wykonany z krzemu. Kiedy Bardeen i Brattain zademonstrowali swoje urządzenie w Bell Labs w grudniu 1947 r., materiałem pod ich złotymi stykami był german. Istniały ku temu dobre powody. German był łatwiejszy do oczyszczenia do poziomów wymaganych wczesnej pracy półprzewodników, a elektrony przemieszczały się przez niego swobodniej niż przez krzem przy napięciach stosowanych przez badaczy. Gdybyś w 1950 roku był fizykiem i obstawiał, który materiał zdominuje przemysł elektroniczny, wybór germanu nie byłby nierozsądnym wyborem.

I tak przegrało. A sposób, w jaki przegrała, mówi coś ważnego o tym, jak faktycznie rozwija się technologia, która rzadko podąża ścieżką, która na początku wygląda najbardziej obiecująco.

Fatalna wada germanu miała charakter termiczny. Jego pasmo wzbronione wynosi 0,67 elektronowoltów i jest na tyle wąskie, że rosnące temperatury spowodowały wycieki prądu z urządzeń w sposób, nad którym inżynierowie nie mogli łatwo zapanować. Umieść tranzystor germanowy w sprzęcie wojskowym, w pobliżu ciepłej lampy próżniowej lub po prostu w urządzeniu, które działało przez godzinę, a jego zachowanie ulegnie zmianie. Tego rodzaju nieprzewidywalność jest tolerowana w laboratorium. Nie jest to tolerowane w produkcie.

 

Warstwa szkła, która zmieniła produkcję

Krzem ma pasmo wzbronione wynoszące 1,1 elektronowoltów, co zapewnia mu znacznie lepszą stabilność termiczną. Urządzenia zbudowane na krzemie mogą działać niezawodnie w temperaturach, które powodują nieprawidłowe zachowanie germanu. Samo to mogło wystarczyć, aby przechylić szalę. Ale krzem miał drugą zaletę, której nikt w pełni nie przewidywał, a która okazała się ważniejsza niż cokolwiek innego.

Kiedy krzem jest wystawiony na działanie tlenu, na jego powierzchni tworzy się cienka, twarda i jednolita warstwa dwutlenku krzemu. Dwutlenek krzemu izoluje elektrycznie, jest stabilny chemicznie i wiąże się z krzemem znajdującym się pod nim z konsystencją, którą można kontrolować i powtarzać na całej płytce. Kiedy pod koniec lat pięćdziesiątych inżynierowie pracowali nad tym, jak zbudować tranzystory na płaskiej powierzchni i połączyć je z osadzonym metalem, ta natywna warstwa tlenku stała się niezbędnym składnikiem. Służył jako bariera izolacyjna pomiędzy elementami. Można go hodować termicznie, wytrawić przez niego okna kwasem, nałożyć na niego nowe warstwy i zrobić to wszystko z wystarczającą precyzją, aby zdefiniować cechy, których oko nie widzi.

German nie ma takiego tlenku. Dwutlenek germanu rozpuszcza się w wodzie i rozpada w temperaturach wymaganych w obróbce półprzewodników. Nie był to problem do rozwiązania przy lepszej inżynierii. Była to właściwość materialna, która skutecznie dyskwalifikowała german z procesu produkcyjnego, w którym skupiał się przemysł.

Krzem zwyciężył nie tylko ze względu na to, czym był, ale także ze względu na to, co robił w środowisku produkcyjnym. Proces planarny wymagał materiału ze stabilnym, nadającym się do uprawy tlenkiem. Silikon miał taki. Z tego wynikało wszystko inne.

 

Jak wygląda dziewięćdziesiąt procent wafli na świecie

Krzem stanowi obecnie ponad dziewięćdziesiąt procent wszystkich płytek półprzewodnikowych produkowanych na całym świecie. Jest podłożem dla procesorów w laptopie, pamięci w telefonie, czujnika obrazu w aparacie, tranzystorów mocy w sterowniku sprężarki lodówki i ogniw słonecznych instalowanych na coraz większej liczbie dachów. Trudno przecenić zakres jego obecności.

Częścią tego, co podtrzymuje ten stan, jest zwykła skala przemysłowa. Budowa nowoczesnego zakładu produkującego płytki krzemowe kosztuje od dziesięciu do dwudziestu miliardów dolarów, a każde znajdujące się w nim narzędzie, każdy proces chemiczny i każda procedura kontroli jakości były opracowywane i udoskonalane przez dziesięciolecia specjalnie z myślą o krzemie. Fotorezysty są opracowane dla krzemu. Chemia trawienia jest dostosowana do krzemu. Inżynierowie znają się na krzemie.

To, o czym większość osób spoza branży nie myśli, to infrastruktura wspierająca, która zapewnia fantastyczną wydajność. Produkcja półprzewodników zależy od nieprzerwanego przepływu ultraczystej wody, gazów procesowych i agresywnych chemicznych środków trawiących przepływających przez starannie kontrolowane systemy dostarczania. Każda ścieżka przepływu płynu w fabryce, od pętli wody dejonizowanej płuczącej płytki między stopniami po linie przenoszące kwas fluorowodorowy do usuwania tlenków, wymaga komponentów, które poradzą sobie z mediami korozyjnymi bez zanieczyszczania procesu. Azawór kulowy ze stali nierdzewnejto jeden z najczęstszych punktów kontrolnych w tych systemach, używany do izolowania linii, regulacji przepływu i umożliwiania konserwacji bez wyłączania całej pętli. Normy czystości stosowane w przypadku tych zaworów w środowisku półprzewodników są znacznie bardziej rygorystyczne niż w większości innych gałęzi przemysłu, ponieważ nawet zanieczyszczenie metalami śladowymi ze źle dobranego łącznika może zniszczyć całą partię płytek. Z tego powodu inżynierowie fabryk traktują wybór każdego zaworu kulowego ze stali nierdzewnej w systemie dostarczania chemikaliów z taką samą powagą, jaką przywiązują do specyfikacji sprzętu procesowego, przeglądania certyfikatów materiałów, standardów wykończenia powierzchni i poziomów usuwalnych zanieczyszczeń, zanim pojedynczy zawór zostanie zainstalowany na linii.

Jest to warstwa przemysłu, która rzadko pojawia się w opisie chipów i produkcji, ale jest równie istotna jak same maszyny litograficzne. Kiedy ludzie mówią, że łańcuch dostaw półprzewodników jest trudny do odtworzenia lub przeniesienia, mają na myśli częściowo ten fakt: skumulowaną specyfikę każdego komponentu procesu, aż do złączy i sprzętu sterującego przepływem w szafie do podawania chemikaliów.

 

Zawór kulowy ze stali nierdzewnej LEADTEK 2 szt

 

Miejsca, w których brakuje krzemu

Krzem ma rzeczywiste ograniczenia, które w niektórych zastosowaniach przestały być problemem teoretycznym, a stały się prawdziwymi problemami inżynieryjnymi.

Azotek galu ma pasmo wzbronione 3,4 elektronowoltów, ponad trzykrotnie większe niż krzem. Ta szersza szczelina pozwala tranzystorom GaN blokować wyższe napięcia, przełączać przy wyższych częstotliwościach i skuteczniej rozpraszać ciepło niż urządzenie krzemowe porównywalnej wielkości. Szybkie ładowarki dostarczane z obecnymi smartfonami i laptopami wykorzystują tranzystory mocy GaN, a nie krzemowe, dlatego mogą zmieścić sześćdziesiąt lub sto watów mocy ładowania w czymś na tyle małym, że można je zapomnieć w kieszeni kurtki. Krzem potrzebowałby fizycznie większego urządzenia, aby wykonać tę samą pracę przy tej samej wydajności. Wzmacniacze GaN odgrywają również kluczową rolę w infrastrukturze stacji bazowych 5G, gdzie ograniczenia częstotliwości krzemu stają się twardym sufitem, a nie miękkimi wytycznymi.

Węglik krzemu odgrywa podobną rolę przy wyższych poziomach mocy, szczególnie tam, gdzie ograniczeniem jest odprowadzanie ciepła. Jego przewodność cieplna jest mniej więcej trzykrotnie większa od przewodności cieplnej krzemu, co ma znaczenie w przypadku przesyłania setek kilowatów przez falownik pojazdu elektrycznego. Kilku głównych producentów przeniosło swoje falowniki trakcyjne z krzemowych IGBT na moduły z węglika krzemu, a wzrost wydajności był na tyle realny, że znalazł odzwierciedlenie w danych dotyczących zasięgu jazdy.

Poza tymi dwoma istnieją materiały, które budzą znaczne zainteresowanie badawcze, ale nie weszły jeszcze do głównego nurtu produkcji. Tlenek galu ma pasmo wzbronione zbliżone do pięciu elektronowoltów i teoretyczną charakterystykę przebicia, która czyni go użytecznym w zastosowaniach bardzo wysokiego napięcia, ale technologia hodowli płytek wolnych od defektów na dużą skalę wciąż jest w toku. Ruchliwość elektronów w grafenie teoretycznie wynosi około dwieście tysięcy centymetrów kwadratowych na wolt-sekundę, a więc jest to liczba przewyższająca tysiąc czterysta w przypadku krzemu, a badacze wskazują na tę liczbę przez większą część dwudziestu lat, podczas gdy praktyczne tranzystory grafenowe, które faktycznie konkurują z krzemem w rzeczywistym obwodzie, pozostają w dużej mierze poza zasięgiem.

 

Uczciwe stanowisko

Krzem jest najpopularniejszym półprzewodnikiem i pozostanie nim dłużej niż większość osób pracujących obecnie w tej branży. GaN i SiC nie wypierają krzemu w szerokim zakresie. Zdobywają określone obszary rynku, w których fizyka krzemu rzeczywiście przestała być odpowiednia, a krzem ustępuje im bez większej walki, ponieważ tamtejsza ekonomia zmieniła się przeciwko niemu.

Tak naprawdę zmienia się coś bardziej subtelnego. Przez większą część historii przemysłu półprzewodników krzem był nie tylko najpopularniejszym materiałem. Był to założony materiał, punkt wyjścia do wszelkich rozmów projektowych, standard, od którego odchodzi się tylko wtedy, gdy ma się ku temu niezwykle ważny powód. Założenie to rozluźnia się na krawędziach. Nie zapadanie się, nie uleganie obaleniu, po prostu rozluźnianie. Najpopularniejszym półprzewodnikiem jest nadal krzem. Najbardziej interesującym pytaniem w dziedzinie materiałów półprzewodnikowych jest obecnie to, gdzie krzem przestaje być oczywistą odpowiedzią i co wypełnia przestrzeń, którą po sobie pozostawia.