Hvad er den mest almindelige halvleder? Historien bag siliciums kvælertag på moderne elektronik

Gå ind i et hvilket som helst elektroniklaboratorium og spørg, hvilket materiale der holder ingeniører beskæftiget, og du vil høre det samme ord hver gang. Silicium. Det har været svaret så længe, ​​at spørgsmålet knap bliver stillet længere. En hel region i Californien bærer sit navn. De største virksomheder i verden er bygget på det, bogstaveligt og økonomisk. Men silicium nåede ikke frem til denne position, fordi nogen besluttede, at det var den bedst tænkelige halvleder. Det kom dertil gennem en kombination af god kemi, heldig timing og den slags industrielt momentum, der er næsten umuligt at vende, når det først kommer i gang.

 

 

Halvleder

 

Det startede ikke med silicium

Den første transistor var ikke lavet af silicium. Da Bardeen og Brattain demonstrerede deres enhed på Bell Labs i december 1947, var materialet under deres guldkontakter germanium. Det var der gode grunde til. Germanium var lettere at rense til de niveauer, som tidligt halvlederarbejde krævede, og elektroner bevægede sig mere frit igennem det end gennem silicium ved de spændinger, forskerne brugte. Hvis du havde været fysiker i 1950 og satsede på, hvilket materiale der ville komme til at dominere elektronikindustrien, ville germanium ikke have været et urimeligt valg.

Det tabte alligevel. Og måden det tabte på, siger noget vigtigt om, hvordan teknologien rent faktisk udvikler sig, hvilket sjældent er ad den vej, der ser mest lovende ud i starten.

Germaniums fatale fejl var termisk. Dens båndgab er på 0,67 elektronvolt, smal nok til, at stigende temperaturer fik enheder til at lække strøm på måder, som ingeniører ikke let kunne kontrollere. Sæt en germanium-transistor inde i et stykke militært hardware, eller i nærheden af ​​et varmt vakuumrør, eller blot i en enhed, der havde kørt i en time, og dens adfærd ville ændre sig. Den slags uforudsigelighed er tolerabel i et laboratorium. Det er ikke acceptabelt i et produkt.

 

Et lag af glas, der ændrede fremstillingen

Silicium har et båndgab på 1,1 elektronvolt, hvilket gav det en meningsfuldt bedre termisk stabilitet. Enheder bygget på silicium kunne køre pålideligt ved temperaturer, der fik germanium til at opføre sig forkert. Det alene kunne have været nok til at vippe balancen. Men silicium havde en anden fordel, som ingen helt havde forudset, og det viste sig at betyde mere end noget andet.

Når silicium udsættes for ilt, vokser det et tyndt, hårdt, ensartet lag af siliciumdioxid på overfladen. Siliciumdioxid er elektrisk isolerende, kemisk stabilt og binder til siliciumet under det med en konsistens, der kan kontrolleres og gentages på tværs af en hel wafer. Da ingeniører i slutningen af ​​1950'erne arbejdede på at bygge transistorer på en flad overflade og forbinde dem med aflejret metal, blev det native oxidlag den væsentlige ingrediens. Det fungerede som den isolerende barriere mellem komponenter. Du kan dyrke det termisk, ætse vinduer igennem det med syre, afsætte nye lag ovenpå det og gøre alt dette med tilstrækkelig præcision til at definere funktioner, som øjet ikke kan se.

Germanium har ikke et sådant oxid. Germaniumdioxid opløses i vand og falder fra hinanden ved de temperaturer, som halvlederbehandling kræver. Dette var ikke et løseligt problem med bedre teknik. Det var en materiel egenskab, og det diskvalificerede i realiteten germanium fra den fremstillingsproces, som industrien konvergerede efter.

Silicium vandt ikke udelukkende på grund af, hvad det var, men på grund af, hvad det gjorde i et fabrikationsmiljø. Den plane proces havde brug for et materiale med et stabilt, grobart oxid. Silicon havde en. Alt andet fulgte deraf.

 

Hvordan 90 procent af verdens vafler ser ud

Silicium står nu for mere end halvfems procent af alle halvlederwafere, der produceres globalt. Det er substratet for processorerne i din bærbare computer, hukommelsen i din telefon, billedsensoren i dit kamera, strømtransistorerne i dit køleskabs kompressorcontroller og solcellerne, der går ind på et stigende antal hustage. Bredden af ​​dens tilstedeværelse er svær at overvurdere.

En del af det, der understøtter dette, er ren og skær industriel skala. Et moderne siliciumwaferfabrikationsanlæg koster et sted mellem ti og tyve milliarder dollars at bygge, og hvert værktøj inde i det, hver kemisk proces, hver kvalitetskontrolprocedure, er blevet udviklet og forfinet gennem årtier med silicium specifikt i tankerne. Fotoresisterne er formuleret til silicium. Ætsekemierne er indstillet til silicium. Ingeniørerne kender silicium.

Hvad de fleste mennesker uden for branchen ikke tænker på, er den understøttende infrastruktur, der gør det godt. Fremstilling af halvledere afhænger af en uafbrudt strøm af ultrarent vand, procesgasser og aggressive kemiske ætsemidler, der bevæger sig gennem omhyggeligt kontrollerede leveringssystemer. Enhver væskebane i en fab, fra de deioniserede vandsløjfer, der skyller wafers mellem trinene til linjerne, der fører flussyre til oxidfjernelse, kræver komponenter, der kan håndtere ætsende medier uden at forurene processen. ENrustfrit stål kugleventiler et af de mest almindelige kontrolpunkter i disse systemer, der bruges til at isolere ledninger, regulere flow og tillade vedligeholdelse uden at lukke en hel sløjfe ned. De renhedsstandarder, der anvendes på disse ventiler i et halvledermiljø, er betydeligt mere krævende end i de fleste andre industrier, fordi selv spormetalforurening fra en dårligt specificeret fitting kan ødelægge en hel wafer-batch. Af denne grund behandler fab-ingeniører valget af enhver kugleventil af rustfrit stål i et kemisk leveringssystem med den samme seriøsitet, som de gør med at specificere procesudstyr, gennemgå materialecertificeringer, standarder for overfladefinish og niveauer af ekstraherbare forureningsstoffer, før en enkelt ventil bliver installeret på linjen.

Dette er det lag af industrien, der sjældent optræder i dækning af spåner og fremstilling, men det er lige så vigtigt som selve litografimaskinerne. Når folk taler om, at halvlederforsyningskæden er svær at replikere eller flytte, taler de delvist om dette: den akkumulerede specificitet af hver komponent i processen, ned til fittings og flowkontrolhardware inde i et kemikalieleveringsskab.

 

LEADTEK 2PC Kugleventil i rustfrit stål

 

De steder, hvor silicium løber ud af vejen

Silicium har ægte grænser, og i visse applikationer er disse grænser holdt op med at være teoretiske bekymringer og er begyndt at være reelle tekniske problemer.

Galliumnitrid har et båndgab på 3,4 elektronvolt, mere end tre gange siliciums. Det bredere hul lader GaN-transistorer blokere højere spændinger, skifte ved højere frekvenser og sprede varme mere effektivt end en siliciumenhed af sammenlignelig størrelse. De hurtige opladere, der leveres med nuværende smartphones og bærbare computere, bruger GaN-strømtransistorer frem for siliciumtransistorer, hvilket er grunden til, at de kan passe tres eller hundrede watts opladningskapacitet i noget, der er lille nok til at glemme i en jakkelomme. Silicium ville have brug for en fysisk større enhed for at udføre det samme arbejde med samme effektivitet. GaN-forstærkere er også centrale i 5G-basestationsinfrastrukturen, hvor siliciums frekvensgrænser bliver et hårdt loft frem for en blød rettesnor.

Siliciumcarbid spiller en lignende rolle ved højere effektniveauer, især hvor varmefjernelse er den bindende begrænsning. Dens varmeledningsevne er omtrent tre gange større end silicium, hvilket betyder noget, når du dirigerer hundredvis af kilowatt gennem inverteren på et elektrisk køretøj. Flere store producenter har flyttet deres traktionsinvertere fra silicium IGBT'er til siliciumkarbidmoduler, og effektivitetsgevinsterne har været reelle nok til at dukke op i tal for driving range.

Ud over disse to er der materialer, der genererer betydelig forskningsinteresse, men som endnu ikke er gået over i mainstream-produktion. Galliumoxid har et båndgab, der nærmer sig fem elektronvolt, og teoretiske nedbrydningsegenskaber, der ville gøre det nyttigt i meget højspændingsapplikationer, men teknologien til at dyrke defektfrie-wafere i skala er stadig under udarbejdelse. Grafens elektronmobilitet er teoretisk omkring to hundrede tusinde kvadratcentimeter pr. volt-sekund, et tal, der dværger siliciums fjorten hundrede, og forskere har peget på det tal i mere end tyve år, mens praktiske grafentransistorer, der faktisk konkurrerer med silicium i et rigtigt kredsløb, stort set er uden for rækkevidde.

 

Den ærlige holdning

Silicium er den mest almindelige halvleder, og det vil det forblive i længere tid, end de fleste af de mennesker, der i øjeblikket arbejder i branchen, vil være omkring for at se. GaN og SiC fortrænger ikke silicium bredt. De vinder de specifikke hjørner af markedet, hvor siliciums fysik reelt er holdt op med at være tilstrækkelig, og silicium afgiver disse hjørner uden meget kamp, ​​fordi økonomien der er skiftet imod det.

Det, der rent faktisk ændrer sig, er noget mere subtilt. I det meste af halvlederindustriens historie var silicium ikke kun det mest almindelige materiale. Det var det forudsatte materiale, udgangspunktet for enhver designsamtale, standarden, man kun gik fra, når man havde en usædvanlig stærk grund til det. Den antagelse løsner sig i kanterne. Ikke at kollapse, ikke blive væltet, bare løsne sig. Den mest almindelige halvleder er stadig silicium. Det mest interessante spørgsmål i halvledermaterialer lige nu er, hvor silicium holder op med at være det åbenlyse svar, og hvad fylder det rum, det efterlader.