Який найпоширеніший напівпровідник? Історія впливу Silicon на сучасну електроніку

Зайдіть у будь-яку лабораторію електроніки та запитайте, який матеріал утримує інженерів на роботі, і ви кожного разу почуєте одне й те саме слово. Кремній. Це була відповідь так довго, що це питання майже не ставлять. Цілий регіон Каліфорнії носить його назву. На цьому засновані найбільші компанії світу, буквально і фінансово. Але кремній досяг цієї позиції не тому, що хтось вирішив, що це найкращий напівпровідник, який тільки можна собі уявити. Це досягнуто завдяки поєднанню хорошої хімії, вдалого часу та індустріального імпульсу, який майже неможливо повернути назад, коли він починає працювати.

 

 

Напівпровідник

 

Все почалося не з кремнію

Перший транзистор не був зроблений з кремнію. Коли Бардін і Браттейн продемонстрували свій пристрій у Bell Labs у грудні 1947 року, матеріалом під їхніми золотими контактами був германій. Для цього були вагомі причини. Германій було легше очистити до рівнів, необхідних для ранніх напівпровідникових робіт, і електрони рухалися через нього вільніше, ніж через кремній, за напруги, яку використовували дослідники. Якби ви були фізиком у 1950 році і робили ставку на те, який матеріал стане домінуючим в електронній промисловості, германій не був би нерозумним вибором.

Все одно програло. І те, як вона програла, говорить щось важливе про те, як насправді розвиваються технології, які рідко йдуть шляхом, який на початку виглядає найбільш багатообіцяючим.

Фатальним недоліком Германію була термічна. Його ширина забороненої зони становить 0,67 електронвольта, достатньо вузька, щоб підвищення температури призвело до витоку струму пристроїв, яким інженери не могли легко керувати. Помістіть германієвий транзистор у частину військової техніки, або біля теплої вакуумної трубки, або просто в пристрій, який працював протягом години, і його поведінка зміниться. Така непередбачуваність допустима в лабораторії. Це не допустимо в продукті.

 

Шар скла, який змінив виробництво

Кремній має ширину забороненої зони 1,1 електронвольта, що надає йому значно кращої термічної стабільності. Пристрої, побудовані на основі кремнію, могли надійно працювати при температурах, які викликали неправильну поведінку германію. Лише цього було достатньо, щоб схилити терези. Але кремній мав ще одну перевагу, яку ніхто повністю не передбачав, і вона виявилася більш важливою, ніж будь-що інше.

Коли кремній піддається дії кисню, на його поверхні утворюється тонкий, твердий однорідний шар діоксиду кремнію. Діоксид кремнію є електроізоляційним, хімічно стабільним і з’єднується з кремнієм під ним із консистенцією, яку можна контролювати та повторювати на всій пластині. Коли наприкінці 1950-х інженери працювали над тим, як створити транзистори на плоскій поверхні та з’єднати їх разом із наплавленим металом, шар рідного оксиду став основним інгредієнтом. Він служив ізоляційним бар'єром між компонентами. Ви можете вирощувати його термічно, протравлювати вікна крізь нього кислотою, наносити нові шари на нього, і робити все це з достатньою точністю, щоб визначити елементи, які око не може побачити.

Германій не має такого оксиду. Діоксид германію розчиняється у воді та розпадається при температурах, необхідних для обробки напівпровідників. Цю проблему не можна було вирішити за допомогою кращої техніки. Це була матеріальна властивість, і вона фактично дискваліфікувала германій з виробничого процесу, до якого зближувалася промисловість.

Кремній переміг не лише через те, чим він був, а через те, що він робив у виробничому середовищі. Для планарного процесу потрібен був матеріал зі стабільним оксидом, який можна рости. Силікон мав один. З цього випливало все інше.

 

Як виглядає дев'яносто відсотків вафель у світі

Зараз на кремній припадає понад дев’яносто відсотків усіх напівпровідникових пластин, вироблених у світі. Це підкладка для процесорів у вашому ноутбуці, пам’яті у вашому телефоні, датчика зображення у вашій камері, силових транзисторів у контролері компресора вашого холодильника та сонячних елементів, які розміщуються на все більшій кількості дахів. Широту його присутності важко переоцінити.

Частково це підтримує промислові масштаби. Будівництво сучасного заводу з виготовлення кремнієвих пластин коштує десь від десяти до двадцяти мільярдів доларів, і кожен інструмент у ньому, кожен хімічний процес, кожна процедура контролю якості розроблялися й удосконалювалися протягом десятиліть із застосуванням кремнію. Фоторезисти розроблені для кремнію. Хімічні властивості травлення налаштовані на кремній. Інженери знають кремній.

Більшість людей поза галуззю не думають про допоміжну інфраструктуру, яка забезпечує чудову роботу. Виробництво напівпровідників залежить від безперебійного потоку надчистої води, технологічних газів і агресивних хімічних речовин для травлення, що рухаються через ретельно контрольовані системи доставки. Кожен шлях рідини на фабриці, від контурів деіонізованої води, які промивають пластини між етапами, до ліній, що транспортують фтористоводневу кислоту для видалення оксиду, потребує компонентів, які можуть працювати з корозійними середовищами, не забруднюючи процес. Акульовий кран з нержавіючої сталіє однією з найпоширеніших контрольних точок у цих системах, яка використовується для ізоляції ліній, регулювання потоку та забезпечення технічного обслуговування без відключення всього контуру. Стандарти чистоти, які застосовуються до цих вентилів у напівпровідниковому середовищі, є значно більш вимогливими, ніж у більшості інших галузей промисловості, оскільки навіть сліди забруднення металом від погано визначеного фітинга можуть зіпсувати всю партію пластин. З цієї причини інженери заводу підходять до вибору кожного кульового крана з нержавіючої сталі в системі подачі хімікатів з такою ж серйозністю, як і до визначення технологічного обладнання, перегляду сертифікатів матеріалів, стандартів обробки поверхні та рівнів забруднювачів, які витягуються, перш ніж один клапан буде встановлено на лінії.

Це рівень індустрії, який рідко з’являється у висвітленні мікросхем і виготовлення, але він такий же важливий, як і самі літографічні машини. Коли люди говорять про те, що ланцюжок постачання напівпровідників важко відтворити або перемістити, вони частково мають на увазі це: накопичену специфіку кожного компонента в процесі, аж до фітингів і обладнання для контролю потоку всередині шафи доставки хімікатів.

 

Кульовий кран з нержавіючої сталі LEADTEK 2PC

 

Місця, де кремній вичерпується

У кремнію є справжні обмеження, і в деяких додатках ці обмеження перестали бути теоретичними проблемами, а стали справжніми інженерними проблемами.

Нітрид галію має ширину забороненої зони 3,4 електрон-вольта, що втричі більше, ніж у кремнію. Цей більший зазор дозволяє GaN транзисторам блокувати вищі напруги, перемикатися на вищих частотах і розсіювати тепло ефективніше, ніж кремнієвий пристрій порівнянного розміру. Швидкі зарядні пристрої, які постачаються з поточними смартфонами та ноутбуками, використовують силові транзистори GaN, а не кремнієві, тому вони можуть вмістити шістдесят або сто ват потужності для заряджання в щось досить маленьке, щоб забути в кишені куртки. Кремнієві знадобиться фізично більший пристрій, щоб виконувати ту саму роботу з такою ж ефективністю. GaN підсилювачі також є центральними для інфраструктури базових станцій 5G, де частотні обмеження кремнію стають жорсткою стелею, а не м’яким орієнтиром.

Карбід кремнію відіграє подібну роль на вищих рівнях потужності, особливо там, де відведення тепла є обов’язковим обмеженням. Його теплопровідність приблизно в три рази перевищує теплопровідність кремнію, що має значення, коли ви направляєте сотні кіловат через інвертор електромобіля. Кілька великих виробників перевели свої тягові інвертори з кремнієвих IGBT на модулі з карбіду кремнію, і підвищення ефективності було достатньо реальним, щоб відобразитися на показниках дальності.

Окрім цих двох, є матеріали, які викликають значний дослідницький інтерес, але ще не потрапили в масове виробництво. Оксид галію має ширину забороненої зони, що наближається до п’яти електрон-вольт, і теоретичні характеристики пробою, які зробили б його корисним у застосуваннях із дуже високою напругою, але технологія вирощування-бездефектних пластин у масштабі все ще розробляється. Рухливість електронів графену теоретично становить близько двохсот тисяч квадратних сантиметрів на вольт-секунду, число, яке затьмарює тисячу чотириста кремнію, і дослідники вказували на це число протягом більшої частини двадцяти років, тоді як практичні графенові транзистори, які насправді конкурують із кремнієм у реальній схемі, залишаються в основному недосяжними.

 

Чесна позиція

Кремній є найпоширенішим напівпровідником, і він залишатиметься таким довше, ніж більшість людей, які зараз працюють у галузі, побачать. GaN і SiC не витісняють сильно кремній. Вони завойовують певні куточки ринку, де фізика кремнію справді перестала бути адекватною, і кремній поступається цими куточками без особливої ​​боротьби, оскільки економіка там змінилася проти нього.

Насправді змінюється дещо більш тонке. Протягом більшої частини історії напівпровідникової промисловості кремній був не просто найпоширенішим матеріалом. Це був передбачуваний матеріал, відправна точка для будь-якої розмови про дизайн, замовчування, від якого ви відходили лише тоді, коли мали надзвичайно вагомі причини. Це припущення розхитується по краях. Не руйнується, не повалюється, а просто розпушується. Найпоширенішим напівпровідником як і раніше залишається кремній. Найцікавіше питання щодо напівпровідникових матеріалів зараз полягає в тому, де кремній перестає бути очевидною відповіддю, і що заповнює простір, який він залишає позаду.