Kas ir visizplatītākais pusvadītājs? Stāsts aiz silīcija nožņaugšanas mūsdienu elektronikā

Ieejiet jebkurā elektronikas laboratorijā un pajautājiet, kurš materiāls nodrošina inženieru darbu, un jūs katru reizi dzirdēsit vienu un to pašu vārdu. Silīcijs. Tā ir bijusi atbilde tik ilgi, ka jautājums vairs netiek uzdots. Viss Kalifornijas reģions nes savu nosaukumu. Uz tā ir balstīti lielākie uzņēmumi pasaulē gan burtiski, gan finansiāli. Bet silīcijs nenonāca šajā pozīcijā, jo kāds nolēma, ka tas ir labākais pusvadītājs, kādu vien var iedomāties. Tas tika sasniegts, apvienojot labu ķīmiju, laimīgu laiku un tāda veida rūpniecisku impulsu, ko gandrīz neiespējami mainīt, kad tas sāk darboties.

 

 

Pusvadītājs

 

Tas nesākās ar silīciju

Pirmais tranzistors nebija izgatavots no silīcija. Kad Bārdīns un Breteins 1947. gada decembrī demonstrēja savu ierīci Bell Labs, materiāls zem viņu zelta kontaktiem bija germānija. Tam bija labi iemesli. Ģermāniju bija vieglāk attīrīt līdz tādam līmenim, kāds bija vajadzīgs agrīnajam pusvadītāju darbam, un elektroni caur to pārvietojās brīvāk nekā caur silīciju ar spriegumiem, ko izmantoja pētnieki. Ja jūs 1950. gadā būtu bijis fiziķis un liktu uz to, kurš materiāls dominēs elektronikas nozarē, germānija nebūtu bijusi nepamatota izvēle.

Tik un tā zaudēja. Un veids, kā tas tika zaudēts, saka kaut ko svarīgu par to, kā tehnoloģija patiesībā attīstās, kas reti kad ir pa ceļu, kas sākumā šķiet daudzsološākais.

Germanija liktenīgais trūkums bija termisks. Tās joslas spriegums ir 0,67 elektronu volti, kas ir pietiekami šaurs, lai temperatūras paaugstināšanās izraisīja ierīču strāvas noplūdi, ko inženieri nevarēja viegli kontrolēt. Ievietojiet germānija tranzistoru militārās aparatūras gabalā vai pie siltas vakuuma caurules, vai vienkārši ierīcē, kas bija darbojusies stundu, un tā darbība mainīsies. Šāda neparedzamība laboratorijā ir pieļaujama. Produktā tas nav pieļaujams.

 

Stikla slānis, kas mainīja ražošanu

Silīcija joslas sprauga ir 1,1 elektronvolts, kas tam nodrošināja ievērojami labāku termisko stabilitāti. Ierīces, kas izgatavotas uz silīcija, var droši darboties temperatūrā, kas izraisīja germānija nepareizu darbību. Ar to vien varēja pietikt, lai izgāztu līdzsvaru. Bet silīcijam bija otra priekšrocība, ko neviens nebija pilnībā paredzējis, un izrādījās, ka tas ir svarīgāks par visu.

Kad silīcijs tiek pakļauts skābekļa iedarbībai, uz tā virsmas veidojas plāns, ciets, vienmērīgs silīcija dioksīda slānis. Silīcija dioksīds ir elektriski izolējošs, ķīmiski stabils un saistās ar zem tā esošo silīciju ar konsistenci, ko var kontrolēt un atkārtot visā plāksnē. Kad 1950. gadu beigās inženieri izstrādāja tranzistorus uz līdzenas virsmas un savienot tos ar nogulsnētu metālu, šis dabiskais oksīda slānis kļuva par būtisku sastāvdaļu. Tas kalpoja kā izolācijas barjera starp komponentiem. Jūs varat to audzēt termiski, iegremdēt logus caur to ar skābi, uzklāt jaunus slāņus virs tā un darīt to visu pietiekami precīzi, lai noteiktu objektus, ko acs neredz.

Ģermānijam šāda oksīda nav. Ģermānija dioksīds izšķīst ūdenī un sadalās temperatūrā, kas nepieciešama pusvadītāju apstrādei. Šī problēma nebija atrisināma ar labāku inženieriju. Tas bija materiāls īpašums, un tas faktiski diskvalificēja germāniju no ražošanas procesa, kurā nozare tuvojās.

Silīcijs uzvarēja nevis tikai tāpēc, ka tas bija, bet gan tāpēc, ka tas tika darīts ražošanas vidē. Plakanajam procesam bija nepieciešams materiāls ar stabilu, augošu oksīdu. Silīcijam tāds bija. No tā izrietēja viss pārējais.

 

Kā izskatās deviņdesmit procenti pasaules vafeļu

Silīcijs tagad veido vairāk nekā deviņdesmit procentus no visām pasaulē ražotajām pusvadītāju plāksnēm. Tas ir substrāts jūsu klēpjdatora procesoriem, tālruņa atmiņai, kameras attēla sensoram, jaudas tranzistoriem ledusskapja kompresora kontrollerī un saules baterijām, kas iet uz arvien vairāk jumtu. Tās klātbūtnes plašumu ir grūti pārvērtēt.

Daļa no tā, kas to uztur, ir milzīgais rūpnieciskais mērogs. Mūsdienīgas silīcija plāksnīšu ražošanas rūpnīcas būvniecība maksā no desmit līdz divdesmit miljardiem dolāru, un katrs tajā esošais rīks, katrs ķīmiskais process, katra kvalitātes kontroles procedūra ir izstrādāta un pilnveidota gadu desmitiem, īpaši ņemot vērā silīciju. Fotorezisti ir izstrādāti silīcijam. Kodināšanas ķīmija ir pielāgota silīcijam. Inženieri zina silīciju.

Vairums cilvēku ārpus nozares nedomā par atbalsta infrastruktūru, kas nodrošina lielisku darbību. Pusvadītāju ražošana ir atkarīga no nepārtrauktas īpaši tīra ūdens, procesa gāzu un agresīvu ķīmisko kodinātāju plūsmas, kas pārvietojas caur rūpīgi kontrolētām piegādes sistēmām. Katram šķidruma ceļam rūpnīcā, sākot no dejonizēta ūdens cilpām, kas skalo vafeles starp soļiem, līdz līnijām, kas ved fluorūdeņražskābi oksīda noņemšanai, ir nepieciešami komponenti, kas spēj apstrādāt korozīvu vidi, nepiesārņojot procesu. Anerūsējošā tērauda lodveida vārstsir viens no visbiežāk sastopamajiem kontroles punktiem šajās sistēmās, ko izmanto, lai izolētu līnijas, regulētu plūsmu un nodrošinātu apkopi, neizslēdzot visu cilpu. Tīrības standarti, kas tiek piemēroti šiem vārstiem pusvadītāju vidē, ir ievērojami stingrāki nekā lielākajā daļā citu nozaru, jo pat nelieli metāla piesārņojumi no slikti norādīta veidgabala var sabojāt visu vafeļu partiju. Šī iemesla dēļ fab inženieri ikviena nerūsējošā tērauda lodveida vārsta izvēli ķīmisko vielu padeves sistēmā izturas ar tādu pašu nopietnību, ko viņi pievērš procesa aprīkojuma norādīšanai, materiālu sertifikātu, virsmas apdares standartu un ekstrahējamo piesārņojuma līmeņu pārskatīšanai, pirms tiek uzstādīts viens vārsts.

Šis ir nozares slānis, kas reti parādās mikroshēmu un ražošanas pārklājumos, taču tas ir tikpat svarīgs kā pašas litogrāfijas iekārtas. Kad cilvēki runā par to, ka pusvadītāju piegādes ķēdi ir grūti replicēt vai pārvietot, viņi runā daļēji par šo: katra procesa komponenta uzkrāto specifiku, līdz armatūrai un plūsmas kontroles aparatūrai ķīmisko vielu piegādes skapī.

 

LEADTEK 2PC nerūsējošā tērauda lodveida vārsts

 

Vietās, kur beidzas silīcijs

Silīcijam ir patiesi ierobežojumi, un dažos lietojumos šie ierobežojumi vairs nav teorētiski un ir kļuvuši par patiesām inženiertehniskām problēmām.

Gallija nitrīda joslas sprauga ir 3,4 elektronvolti, kas ir vairāk nekā trīs reizes lielāka par silīciju. Šī plašākā sprauga ļauj GaN tranzistoriem bloķēt augstāku spriegumu, pārslēgties augstākās frekvencēs un izkliedēt siltumu efektīvāk nekā līdzīga izmēra silīcija ierīce. Ātrie lādētāji, kas tiek piegādāti ar pašreizējiem viedtālruņiem un klēpjdatoriem, izmanto GaN jaudas tranzistorus, nevis silīcija, tāpēc tajos var ievietot sešdesmit vai simts vatu uzlādes jaudu kaut kas pietiekami mazs, lai tos aizmirstu jakas kabatā. Silīcijam būtu nepieciešama fiziski lielāka ierīce, lai veiktu to pašu darbu ar tādu pašu efektivitāti. GaN pastiprinātāji ir arī centrāli 5G bāzes staciju infrastruktūrā, kur silīcija frekvenču ierobežojumi kļūst par stingriem griestiem, nevis mīkstām vadlīnijām.

Silīcija karbīdam ir līdzīga loma augstākos jaudas līmeņos, it īpaši, ja siltuma noņemšana ir saistošais ierobežojums. Tā siltumvadītspēja ir aptuveni trīs reizes lielāka nekā silīcija, kam ir nozīme, ja caur elektriskā transportlīdzekļa invertoru vadāt simtiem kilovatu. Vairāki lielākie ražotāji ir pārcēluši savus vilces invertorus no silīcija IGBT uz silīcija karbīda moduļiem, un efektivitātes pieaugums ir bijis pietiekami reāls, lai parādītos braukšanas diapazona skaitļos.

Papildus šiem diviem ir materiāli, kas rada ievērojamu pētniecisko interesi, bet vēl nav nonākuši vispārējā ražošanā. Gallija oksīda joslas sprauga tuvojas pieciem elektronvoltiem, un teorētiskie sabrukšanas raksturlielumi padara to noderīgu ļoti augsta sprieguma lietojumos, taču tehnoloģija bezdefektu plātņu palielināšanai mērogā joprojām tiek izstrādāta. Teorētiski grafēna elektronu mobilitāte ir aptuveni divi simti tūkstoši kvadrātcentimetru uz volt{3}}sekundi — šis skaitlis ir mazāks par silīcija četrpadsmit simtiem, un pētnieki uz šo skaitli ir norādījuši jau divdesmit gadu, kamēr praktiskie grafēna tranzistori, kas faktiski konkurē ar silīciju reālā ķēdē, lielākoties ir nepieejami.

 

Godīgā pozīcija

Silīcijs ir visizplatītākais pusvadītājs, un tas paliks ilgāks, nekā to redzēs lielākā daļa cilvēku, kas pašlaik strādā šajā nozarē. GaN un SiC neizspiež silīciju plaši. Viņi uzvar īpašos tirgus stūros, kur silīcija fizika patiešām ir pārstājusi būt adekvāta, un silīcijs nodod šos stūrus bez īpašas cīņas, jo tur ekonomika ir nobīdījusies pret to.

Tas, kas patiesībā mainās, ir kaut kas smalkāks. Lielāko daļu pusvadītāju nozares vēstures silīcijs nebija tikai visizplatītākais materiāls. Tas bija pieņemtais materiāls, sākumpunkts jebkurai dizaina sarunai, noklusējums, no kura jūs atkāpāties tikai tad, kad jums bija neparasti spēcīgs iemesls. Šis pieņēmums malās kļūst vaļīgāks. Nesabrūk, netiek gāzts, tikai atslābina. Visizplatītākais pusvadītājs joprojām ir silīcijs. Patlaban visinteresantākais jautājums pusvadītāju materiālos ir tas, kur silīcijs pārstāj būt acīmredzamā atbilde un kas aizpilda vietu, ko tas atstāj.