Jaký je nejběžnější polovodič? Příběh za křemíkovým sevřením moderní elektroniky

Vejděte do jakékoli elektronické laboratoře a zeptejte se, který materiál zaměstnává inženýry, a pokaždé uslyšíte stejné slovo. Křemík. Byla to odpověď tak dlouho, že se otázka sotva položí. Jeho jméno nese celý region Kalifornie. Jsou na tom doslova i finančně postavené největší společnosti světa. Křemík se však na tuto pozici nedostal, protože někdo rozhodl, že je to nejlepší polovodič, jaký si lze představit. Dostalo se to tam díky kombinaci dobré chemie, šťastného načasování a druhu průmyslové dynamiky, kterou je téměř nemožné zvrátit, jakmile se rozjede.

 

 

Polovodič

 

Nezačalo to křemíkem

První tranzistor nebyl vyroben z křemíku. Když Bardeen a Brattain předváděli své zařízení v Bellových laboratořích v prosinci 1947, materiálem pod jejich zlatými kontakty bylo germanium. Byly k tomu dobré důvody. Germanium bylo snazší vyčistit na úrovně, které rané polovodičové práce vyžadovaly, a elektrony se přes něj pohybovaly volněji než přes křemík při napětích, která výzkumníci používali. Pokud byste byli fyzikem v roce 1950 a vsadili na to, který materiál ovládne elektronický průmysl, germanium by nebylo nerozumnou volbou.

Stejně to prohrálo. A způsob, jakým se ztratil, říká něco důležitého o tom, jak se technologie ve skutečnosti vyvíjí, což je zřídka na cestě, která na začátku vypadá nejslibněji.

Osudnou chybou Germania byla tepelná úprava. Jeho pásmová mezera je 0,67 elektronvoltů, což je dost úzké na to, aby rostoucí teploty způsobily únik proudu ze zařízení způsobem, který inženýři nemohli snadno ovládat. Umístěte germaniový tranzistor do vojenského zařízení nebo do blízkosti teplé elektronky nebo jednoduše do zařízení, které běželo hodinu, a jeho chování se změní. Tento druh nepředvídatelnosti je v laboratoři tolerovatelný. V produktu to není tolerovatelné.

 

Vrstva skla, která změnila výrobu

Křemík má bandgap 1,1 elektronvoltů, což mu dalo podstatně lepší tepelnou stabilitu. Zařízení postavená na křemíku mohla spolehlivě fungovat při teplotách, které způsobovaly špatné chování germania. To samo o sobě mohlo stačit k vychýlení rovnováhy. Ale křemík měl druhou výhodu, kterou nikdo plně nepředpokládal, a ukázalo se, že je důležitější než cokoli jiného.

Když je křemík vystaven kyslíku, vytváří na svém povrchu tenkou, tvrdou, stejnoměrnou vrstvu oxidu křemičitého. Oxid křemičitý je elektricky izolující, chemicky stabilní a váže se na křemík pod ním s konzistencí, kterou lze kontrolovat a opakovat na celém plátku. Když inženýři koncem 50. let vymýšleli, jak postavit tranzistory na rovný povrch a spojit je s naneseným kovem, základní složkou se stala nativní oxidová vrstva. Sloužil jako izolační bariéra mezi komponenty. Mohli byste ji tepelně pěstovat, leptat do ní okna kyselinou, nanášet na ni nové vrstvy a to vše dělat s dostatečnou přesností, abyste mohli definovat rysy, které oko nevidí.

Germanium žádný takový oxid nemá. Oxid germičitý se rozpouští ve vodě a rozpadá se při teplotách, které vyžaduje zpracování polovodičů. S lepším inženýrstvím to nebyl řešitelný problém. Byla to materiální vlastnost a fakticky diskvalifikovala germanium z výrobního procesu, ke kterému se průmysl soustředil.

Křemík nezvítězil čistě díky tomu, čím byl, ale díky tomu, co dělal v prostředí výroby. Planární proces potřeboval materiál se stabilním, pěstovatelným oxidem. Křemík měl jeden. Od toho se odvíjelo vše ostatní.

 

Jak vypadá devadesát procent světových oplatek

Křemík nyní tvoří více než devadesát procent všech celosvětově vyrobených polovodičových destiček. Je to substrát pro procesory ve vašem notebooku, paměť ve vašem telefonu, obrazový snímač ve vašem fotoaparátu, výkonové tranzistory v ovladači kompresoru vaší chladničky a solární články, které jdou na stále větší počet střech. Šíře jeho přítomnosti je těžké přeceňovat.

Část toho, co to udržuje, je naprostý průmyslový rozsah. Výstavba moderního závodu na výrobu křemíkových plátků stojí někde mezi deseti a dvaceti miliardami dolarů a každý nástroj v něm, každý chemický proces, každý postup kontroly kvality byl vyvíjen a zdokonalován po desetiletí s ohledem na křemík. Fotorezisty jsou formulovány pro křemík. Chemie leptání jsou laděny pro křemík. Inženýři znají křemík.

To, o čem většina lidí mimo průmysl nepřemýšlí, je podpůrná infrastruktura, díky které je skvělý provoz. Výroba polovodičů závisí na nepřerušovaném toku ultračisté vody, procesních plynů a agresivních chemických leptadel procházejících pečlivě kontrolovanými dodávacími systémy. Každá dráha tekutiny v továrně, od smyček deionizované vody, které oplachují plátky mezi jednotlivými kroky, až po linky s kyselinou fluorovodíkovou pro odstranění oxidů, vyžaduje komponenty, které si poradí s korozivními médii, aniž by kontaminovaly proces. Akulový kohout z nerezové ocelije jedním z nejběžnějších kontrolních bodů v těchto systémech, který se používá k izolaci vedení, regulaci průtoku a umožnění údržby bez vypnutí celé smyčky. Normy čistoty aplikované na tyto ventily v polovodičovém prostředí jsou podstatně náročnější než ve většině jiných průmyslových odvětví, protože i stopová kontaminace kovem ze špatně specifikované armatury může zničit celou šarži plátku. Z tohoto důvodu fab inženýři přistupují k výběru každého nerezového kulového ventilu v systému dodávky chemikálií se stejnou vážností, jakou přikládají specifikaci procesního zařízení, přezkoumání certifikací materiálů, standardů povrchové úpravy a úrovní extrahovatelných kontaminantů, než bude na lince instalován jediný ventil.

Toto je vrstva průmyslu, která se zřídka objevuje v pokrytí čipů a výroby, ale je stejně důležitá jako samotné litografické stroje. Když lidé mluví o tom, že dodavatelský řetězec polovodičů je obtížné replikovat nebo přemístit, mluví částečně o tomto: o nahromaděné specifičnosti každé součásti v procesu, až po armatury a hardware pro řízení toku uvnitř skříně pro dodávku chemikálií.

 

Kulový ventil LEADTEK 2PC z nerezové oceli

 

Místa Silicon Runs Out of Road

Křemík má skutečné limity a v určitých aplikacích tyto limity přestaly být teoretickými problémy a začaly být skutečnými technickými problémy.

Nitrid galia má pásmovou mezeru 3,4 elektronvoltů, což je více než trojnásobek křemíku. Tato širší mezera umožňuje tranzistorům GaN blokovat vyšší napětí, přepínat na vyšších frekvencích a odvádět teplo efektivněji než křemíkové zařízení srovnatelné velikosti. Rychlé nabíječky dodávané se současnými smartphony a notebooky používají výkonové tranzistory GaN spíše než křemíkové, a proto se do nich vejde šedesát nebo sto wattů nabíjecí kapacity do něčeho, co je dostatečně malé, abyste je zapomněli v kapse bundy. Křemík by potřeboval fyzicky větší zařízení, aby vykonával stejnou práci se stejnou účinností. Zesilovače GaN jsou také ústředním prvkem infrastruktury základnových stanic 5G, kde se frekvenční limity křemíku stávají spíše tvrdým stropem než měkkým vodítkem.

Karbid křemíku hraje podobnou roli při vyšších úrovních výkonu, zejména tam, kde je odvádění tepla vazným omezením. Jeho tepelná vodivost je zhruba třikrát vyšší než u křemíku, což je důležité, když vedete stovky kilowattů přes měnič elektrického vozidla. Několik velkých výrobců přesunulo své trakční invertory z křemíkových IGBT na moduly z karbidu křemíku a zvýšení účinnosti bylo dostatečně reálné, aby se projevilo na číslech jízdního dosahu.

Kromě těchto dvou existují materiály, které vyvolávají značný výzkumný zájem, ale dosud se nedostaly do běžné výroby. Oxid gallia má mezeru v pásmu blížící se pěti elektronvoltům a teoretické průrazné charakteristiky, díky kterým by byl užitečný v aplikacích s velmi vysokým napětím, ale technologie pro pěstování bezvadných-waferů v měřítku se stále vyvíjí. Mobilita elektronů grafenu je teoreticky kolem dvou set tisíc centimetrů čtverečních na volt-sekundu, což je číslo, které převyšuje čtrnáct set křemíku, a výzkumníci na toto číslo poukazují už více než dvacet let, zatímco praktické grafenové tranzistory, které skutečně konkurují křemíku ve skutečném obvodu, zůstávají z velké části mimo dosah.

 

Čestná pozice

Křemík je nejběžnějším polovodičem a zůstane jím déle, než to uvidí většina lidí, kteří v současné době v tomto odvětví pracují. GaN a SiC nevytlačují křemík široce. Vyhrávají konkrétní kouty trhu, kde fyzika křemíku skutečně přestala vyhovovat, a křemík se těchto koutů vzdává bez většího boje, protože tamní ekonomika se posunula proti němu.

To, co se ve skutečnosti mění, je něco jemnějšího. Po většinu historie polovodičového průmyslu nebyl křemík jen nejběžnějším materiálem. Byl to předpokládaný materiál, výchozí bod pro jakoukoli konverzaci o designu, výchozí nastavení, od kterého jste se odchýlili pouze tehdy, když jste k tomu měli neobvykle silný důvod. Tento předpoklad se na okrajích uvolňuje. Nezřítit se, nenechat se svrhnout, jen uvolnit. Nejběžnějším polovodičem je stále křemík. Nejzajímavější otázkou v polovodičových materiálech právě teď je, kde křemík přestává být zřejmou odpovědí a co vyplňuje prostor, který za sebou zanechává.