Hva er den vanligste halvlederen? Historien bak Silicons kvelertak på moderne elektronikk

Gå inn i et hvilket som helst elektronikklaboratorium og spør hvilket materiale som holder ingeniører ansatt, og du vil høre det samme ordet hver gang. Silisium. Det har vært svaret så lenge at spørsmålet knapt blir stilt lenger. En hel region i California bærer navnet sitt. De største selskapene i verden er bygget på det, bokstavelig talt og økonomisk. Men silisium kom ikke til denne posisjonen fordi noen bestemte at det var den beste halvlederen man kunne tenke seg. Den kom dit gjennom en kombinasjon av god kjemi, heldig timing og den typen industrielle momentum som er nesten umulig å reversere når den først er i gang.

 

 

Halvleder

 

Det startet ikke med silisium

Den første transistoren var ikke laget av silisium. Da Bardeen og Brattain demonstrerte enheten deres på Bell Labs i desember 1947, var materialet under gullkontaktene deres germanium. Det var gode grunner til dette. Germanium var lettere å rense til nivåene som tidlig halvlederarbeid krevde, og elektroner beveget seg gjennom det mer fritt enn gjennom silisium ved spenningene forskerne brukte. Hvis du hadde vært fysiker i 1950 og satset på hvilket materiale som ville komme til å dominere elektronikkindustrien, ville ikke germanium vært et urimelig valg.

Det tapte uansett. Og måten det tapte på sier noe viktig om hvordan teknologien faktisk utvikler seg, som sjelden er langs den veien som ser mest lovende ut i starten.

Germaniums fatale feil var termisk. Båndgapet er på 0,67 elektronvolt, smalt nok til at stigende temperaturer fikk enheter til å lekke strøm på måter ingeniører ikke lett kunne kontrollere. Plasser en germanium-transistor i et stykke militært maskinvare, eller i nærheten av et varmt vakuumrør, eller rett og slett i en enhet som hadde vært i gang i en time, og oppførselen ville endre seg. Den slags uforutsigbarhet er tålelig i et laboratorium. Det tåles ikke i et produkt.

 

Et lag av glass som endret produksjonen

Silisium har et båndgap på 1,1 elektronvolt, noe som ga den betydelig bedre termisk stabilitet. Enheter bygget på silisium kan fungere pålitelig ved temperaturer som fikk germanium til å oppføre seg feil. Det alene kan ha vært nok til å vippe balansen. Men silisium hadde en annen fordel som ingen helt hadde forutsett, og det viste seg å bety mer enn noe annet.

Når silisium utsettes for oksygen, vokser det et tynt, hardt, jevnt lag med silisiumdioksid på overflaten. Silisiumdioksid er elektrisk isolerende, kjemisk stabilt og binder seg til silisiumet under det med en konsistens som kan kontrolleres og gjentas over en hel skive. Da ingeniører på slutten av 1950-tallet jobbet ut hvordan de skulle bygge transistorer på en flat overflate og koble dem sammen med avsatt metall, ble det innfødte oksidlaget den essensielle ingrediensen. Det fungerte som den isolerende barrieren mellom komponentene. Du kan dyrke det termisk, etse vinduer gjennom det med syre, legge nye lag på toppen av det, og gjøre alt dette med nok presisjon til å definere egenskaper som øyet ikke kan se.

Germanium har ikke noe slikt oksid. Germaniumdioksid løses opp i vann og faller fra hverandre ved de temperaturene som halvlederbehandling krever. Dette var ikke et løsbart problem med bedre ingeniørkunst. Det var en materiell egenskap, og det diskvalifiserte effektivt germanium fra produksjonsprosessen industrien konvergerte til.

Silisium vant ikke bare på grunn av hva det var, men på grunn av hva det gjorde i et fabrikasjonsmiljø. Den plane prosessen trengte et materiale med et stabilt, vekbart oksid. Silicon hadde en. Alt annet fulgte av det.

 

Hvordan nitti prosent av verdens wafere ser ut

Silisium står nå for mer enn nitti prosent av alle halvlederskiver som produseres globalt. Det er underlaget for prosessorene i den bærbare datamaskinen, minnet i telefonen, bildesensoren i kameraet, krafttransistorene i kjøleskapets kompressorkontroller, og solcellene som går inn på et økende antall hustak. Bredden av dens tilstedeværelse er vanskelig å overdrive.

Noe av det som opprettholder dette er ren industriell skala. Et moderne anlegg for produksjon av silisiumplater koster et sted mellom ti og tjue milliarder dollar å bygge, og hvert verktøy inni det, hver kjemisk prosess, hver kvalitetskontrollprosedyre, har blitt utviklet og foredlet over tiår med spesifikt silisium i tankene. Fotoresistene er formulert for silisium. Etsekjemiene er innstilt for silisium. Ingeniørene kan silisium.

Det de fleste utenfor bransjen ikke tenker på, er den støttende infrastrukturen som gjør en fantastisk drift. Halvlederproduksjon er avhengig av en uavbrutt strøm av ultrarent vann, prosessgasser og aggressive kjemiske etsere som beveger seg gjennom nøye kontrollerte leveringssystemer. Hver væskebane i en fabrikk, fra de avioniserte vannløkkene som skyller wafere mellom trinnene til linjene som fører flussyre for fjerning av oksid, krever komponenter som kan håndtere etsende medier uten å forurense prosessen. ENkuleventil i rustfritt ståler et av de vanligste kontrollpunktene i disse systemene, brukt til å isolere linjer, regulere strømmen og tillate vedlikehold uten å stenge en hel sløyfe. Renhetsstandardene som brukes på disse ventilene i et halvledermiljø er betydelig mer krevende enn i de fleste andre bransjer, fordi selv spormetallforurensning fra en dårlig spesifisert armatur kan ødelegge en hel waferbatch. Av denne grunn behandler fab-ingeniører valget av hver kuleventil i rustfritt stål i et kjemisk leveringssystem med samme seriøsitet som de tar med å spesifisere prosessutstyr, gjennomgå materialsertifiseringer, overflatefinishstandarder og uttrekkbare forurensningsnivåer før en enkelt ventil blir installert på linjen.

Dette er laget av industrien som sjelden dukker opp i dekning av sjetonger og fabrikasjon, men det er like viktig som selve litografimaskinene. Når folk snakker om at halvlederforsyningskjeden er vanskelig å replikere eller flytte, snakker de delvis om dette: den akkumulerte spesifisiteten til hver komponent i prosessen, ned til armaturene og strømningskontrollmaskinvaren inne i et kjemisk leveringsskap.

 

LEADTEK 2PC Kuleventil i rustfritt stål

 

Stedene Silisium går ut av veien

Silisium har ekte grenser, og i visse applikasjoner har disse grensene sluttet å være teoretiske bekymringer og begynt å være reelle tekniske problemer.

Galliumnitrid har et båndgap på 3,4 elektronvolt, mer enn tre ganger silisium. Det bredere gapet lar GaN-transistorer blokkere høyere spenninger, bytte ved høyere frekvenser og spre varme mer effektivt enn en silisiumenhet av sammenlignbar størrelse. Hurtigladerne som leveres med nåværende smarttelefoner og bærbare datamaskiner bruker GaN-krafttransistorer i stedet for silisium-transistorer, og det er grunnen til at de kan få plass til seksti eller hundre watts ladekapasitet i noe lite nok til å glemme i en jakkelomme. Silisium ville trenge en fysisk større enhet for å gjøre den samme jobben med samme effektivitet. GaN-forsterkere er også sentrale i 5G-basestasjonsinfrastrukturen, der silisiums frekvensgrenser blir et hardt tak i stedet for en myk retningslinje.

Silisiumkarbid spiller en lignende rolle ved høyere effektnivåer, spesielt der varmefjerning er den bindende begrensningen. Dens varmeledningsevne er omtrent tre ganger høyere enn for silisium, noe som betyr noe når du dirigerer hundrevis av kilowatt gjennom omformeren til et elektrisk kjøretøy. Flere store produsenter har flyttet sine trekkraftinvertere fra silisium IGBT-er til silisiumkarbidmoduler, og effektivitetsgevinstene har vært reelle nok til å vises i tall for driving range.

Utover disse to er det materialer som genererer betydelig forskningsinteresse, men som ennå ikke har gått over i ordinær produksjon. Galliumoksid har et båndgap som nærmer seg fem elektronvolt og teoretiske nedbrytningsegenskaper som vil gjøre det nyttig i svært høyspenningsapplikasjoner, men teknologien for å øke defektfrie-wafere i stor skala er fortsatt under utvikling. Grafenes elektronmobilitet er teoretisk rundt to hundre tusen kvadratcentimeter per volt-sekund, et tall som dverger silisiums fjorten hundre, og forskere har pekt på dette tallet i mer enn tjue år, mens praktiske grafentransistorer som faktisk konkurrerer med silisium i en ekte krets forblir stort sett utenfor rekkevidde.

 

Den ærlige posisjonen

Silisium er den vanligste halvlederen, og den vil forbli slik lenger enn de fleste som jobber i bransjen vil være rundt for å se. GaN og SiC fortrenger ikke silisium bredt. De vinner de spesifikke hjørnene av markedet der silisiums fysikk virkelig har sluttet å være tilstrekkelig, og silisium gir avkall på disse hjørnene uten mye kamp fordi økonomien der har skiftet mot det.

Det som faktisk endrer seg er noe mer subtilt. I det meste av halvlederindustriens historie var silisium ikke bare det vanligste materialet. Det var det antatte materialet, utgangspunktet for enhver designsamtale, standarden man bare gikk fra når man hadde en uvanlig sterk grunn til det. Den antagelsen løsner i kantene. Ikke kollapse, ikke bli styrtet, bare løsne. Den vanligste halvlederen er fortsatt silisium. Det mest interessante spørsmålet i halvledermaterialer akkurat nå er hvor silisium slutter å være det åpenbare svaret, og hva som fyller plassen det etterlater seg.