Aký je najbežnejší polovodič? Príbeh uškrtenia kremíka na modernú elektroniku

Choďte do akéhokoľvek elektronického laboratória a opýtajte sa, ktorý materiál zamestnáva inžinierov, a zakaždým budete počuť to isté slovo. kremík. Bola to odpoveď tak dlho, že sa táto otázka už takmer nekladie. Jeho meno nesie celý región Kalifornie. Sú na ňom postavené najväčšie spoločnosti sveta doslova aj finančne. Ale kremík sa nedostal do tejto pozície, pretože niekto rozhodol, že je to najlepší polovodič, aký si možno predstaviť. Dostalo sa to cez kombináciu dobrej chémie, šťastného načasovania a druhu priemyselného impulzu, ktorý je takmer nemožné zvrátiť, keď sa rozbehne.

 

 

Polovodič

 

Nezačalo to kremíkom

Prvý tranzistor nebol vyrobený z kremíka. Keď Bardeen a Brattain predvádzali svoje zariadenie v Bellových laboratóriách v decembri 1947, materiál pod ich zlatými kontaktmi bolo germánium. Boli na to dobré dôvody. Germánium bolo ľahšie čistiť na úrovne, ktoré si vyžadovala skorá práca s polovodičmi, a elektróny sa ním pohybovali voľnejšie ako kremíkom pri napätiach, ktoré výskumníci používali. Ak by ste boli fyzikom v roku 1950 a stavili na to, ktorý materiál ovládne elektronický priemysel, germánium by nebolo nerozumnou voľbou.

Aj tak to prehralo. A spôsob, akým sa stratil, hovorí niečo dôležité o tom, ako sa technológia skutočne vyvíja, čo je len zriedka na ceste, ktorá na začiatku vyzerá najsľubnejšie.

Osudnou chybou germánia bola termálna. Jeho pásmová vzdialenosť je 0,67 elektrónvoltov, čo je dostatočne úzke na to, aby rastúce teploty spôsobili únik prúdu zo zariadení spôsobom, ktorý inžinieri nemohli ľahko ovládať. Vložte germániový tranzistor do vojenského zariadenia alebo do blízkosti teplej vákuovej trubice, alebo jednoducho do zariadenia, ktoré bežalo hodinu, a jeho správanie sa zmení. Takáto nepredvídateľnosť je v laboratóriu tolerovateľná. Nie je tolerovateľné v produkte.

 

Vrstva skla, ktorá zmenila výrobu

Kremík má bandgap 1,1 elektrónvoltov, čo mu dáva výrazne lepšiu tepelnú stabilitu. Zariadenia postavené na kremíku mohli spoľahlivo fungovať pri teplotách, ktoré spôsobovali nesprávne správanie germánia. To samo osebe mohlo stačiť na vychýlenie rovnováhy. Ale kremík mal druhú výhodu, ktorú nikto úplne nepredpokladal, a ukázalo sa, že na nej záleží viac než na čomkoľvek inom.

Keď je kremík vystavený pôsobeniu kyslíka, vytvorí sa na jeho povrchu tenká, tvrdá, rovnomerná vrstva oxidu kremičitého. Oxid kremičitý je elektricky izolujúci, chemicky stabilný a viaže sa na kremík pod ním s konzistenciou, ktorú je možné kontrolovať a opakovať na celom plátku. Keď inžinieri koncom 50-tych rokov minulého storočia zisťovali, ako postaviť tranzistory na rovný povrch a spojiť ich s naneseným kovom, základnou zložkou sa stala natívna oxidová vrstva. Slúžil ako izolačná bariéra medzi komponentmi. Mohli by ste ho pestovať tepelne, leptať cez neho okná kyselinou, ukladať naň nové vrstvy a to všetko s dostatočnou presnosťou na definovanie prvkov, ktoré oko nevidí.

Germánium takýto oxid nemá. Oxid germánsky sa rozpúšťa vo vode a rozpadá sa pri teplotách, ktoré si vyžaduje spracovanie polovodičov. S lepším inžinierstvom to nebol riešiteľný problém. Bola to materiálna vlastnosť a fakticky diskvalifikovala germánium z výrobného procesu, ku ktorému sa priemysel zbiehal.

Kremík nezvíťazil len vďaka tomu, čím bol, ale vďaka tomu, čo dokázal vo výrobnom prostredí. Planárny proces potreboval materiál so stabilným, pestovateľným oxidom. Kremík mal jeden. Od toho sa odvíjalo všetko ostatné.

 

Ako vyzerá deväťdesiat percent svetových oblátok

Kremík teraz predstavuje viac ako deväťdesiat percent všetkých polovodičových doštičiek vyrobených na celom svete. Je to substrát pre procesory vo vašom notebooku, pamäť vo vašom telefóne, obrazový snímač vo vašom fotoaparáte, výkonové tranzistory v ovládači kompresora vašej chladničky a solárne články, ktoré vychádzajú na čoraz väčší počet striech. Je ťažké preceňovať šírku jeho prítomnosti.

Časť toho, čo to podporuje, je čistý priemyselný rozsah. Vybudovanie moderného závodu na výrobu kremíkových plátkov stojí niekde medzi desiatimi a dvadsiatimi miliardami dolárov a každý nástroj v ňom, každý chemický proces, každý postup kontroly kvality sa počas desaťročí vyvíjal a zdokonaľoval s ohľadom na kremík. Fotorezisty sú formulované pre kremík. Chemikálie leptania sú vyladené pre kremík. Inžinieri poznajú kremík.

To, na čo väčšina ľudí mimo tohto odvetvia nemyslí, je podporná infraštruktúra, ktorá robí skvelý beh. Výroba polovodičov závisí od neprerušovaného toku ultračistej vody, procesných plynov a agresívnych chemických leptadiel, ktoré sa pohybujú cez starostlivo kontrolované dodávacie systémy. Každá dráha tekutiny v továrni, od slučiek deionizovanej vody, ktoré oplachujú doštičky medzi krokmi, až po linky s kyselinou fluorovodíkovou na odstraňovanie oxidov, vyžaduje komponenty, ktoré dokážu zvládnuť korozívne médiá bez kontaminácie procesu. Aguľový ventil z nehrdzavejúcej oceleje jedným z najbežnejších kontrolných bodov v týchto systémoch, ktorý sa používa na izoláciu vedení, reguláciu prietoku a umožnenie údržby bez vypnutia celej slučky. Normy čistoty aplikované na tieto ventily v polovodičovom prostredí sú podstatne náročnejšie ako vo väčšine iných priemyselných odvetví, pretože aj stopová kovová kontaminácia zo zle špecifikovanej armatúry môže zničiť celú sériu plátkov. Z tohto dôvodu fab inžinieri pristupujú k výberu každého guľového ventilu z nehrdzavejúcej ocele v systéme dodávky chemikálií s rovnakou vážnosťou, akú prikladajú špecifikácii procesného zariadenia, kontrole certifikácií materiálov, štandardov povrchovej úpravy a úrovní extrahovateľných kontaminantov predtým, ako sa na linku nainštaluje jeden ventil.

Toto je vrstva priemyslu, ktorá sa zriedka objavuje v pokrytí čipov a výroby, ale je rovnako dôležitá ako samotné litografické stroje. Keď ľudia hovoria o tom, že je ťažké replikovať alebo premiestniť dodávateľský reťazec polovodičov, čiastočne hovoria o tomto: o nahromadenej špecifickosti každého komponentu v procese, až po armatúry a hardvér na riadenie toku vo vnútri skrine na dodávku chemikálií.

 

LEADTEK 2PC guľový ventil z nehrdzavejúcej ocele

 

Miesta, kde kremík vyteká z cesty

Kremík má skutočné limity av určitých aplikáciách tieto limity prestali byť teoretickými problémami a začali byť skutočnými technickými problémami.

Nitrid gália má pásmový rozdiel 3,4 elektrónvoltov, čo je viac ako trojnásobok kremíka. Táto širšia medzera umožňuje tranzistorom GaN blokovať vyššie napätie, prepínať pri vyšších frekvenciách a odvádzať teplo efektívnejšie ako kremíkové zariadenie porovnateľnej veľkosti. Rýchle nabíjačky, ktoré sa dodávajú so súčasnými smartfónmi a notebookmi, používajú výkonové tranzistory GaN a nie kremíkové, a preto sa do nich zmestí šesťdesiat alebo sto wattov nabíjacej kapacity do niečoho, čo je dostatočne malé, aby ste ich zabudli vo vrecku bundy. Kremík by potreboval fyzicky väčšie zariadenie, aby vykonal rovnakú prácu pri rovnakej účinnosti. Zosilňovače GaN sú tiež ústredným prvkom infraštruktúry základňových staníc 5G, kde sa frekvenčné limity kremíka stávajú skôr tvrdým stropom než mäkkým usmernením.

Karbid kremíka hrá podobnú úlohu pri vyšších úrovniach výkonu, najmä tam, kde je väzbovým obmedzením odvod tepla. Jeho tepelná vodivosť je približne trojnásobná v porovnaní s kremíkom, čo je dôležité, keď smerujete stovky kilowattov cez menič elektrického vozidla. Niekoľko významných výrobcov presunulo svoje trakčné invertory z kremíkových IGBT na moduly z karbidu kremíka a zvýšenie účinnosti bolo dostatočne reálne, aby sa prejavilo na číslach dojazdu.

Okrem týchto dvoch existujú materiály, ktoré vyvolávajú značný výskumný záujem, ale zatiaľ neprešli do bežnej výroby. Oxid gália má medzeru v pásme blížiacu sa piatim elektrónvoltom a teoretické charakteristiky rozpadu, vďaka ktorým by bol užitočný v aplikáciách s veľmi vysokým napätím, ale technológia na pestovanie bezporuchových-platničiek vo veľkom rozsahu sa stále pracuje. Mobilita elektrónov grafénu je teoreticky okolo dvestotisíc štvorcových centimetrov na volt-sekundu, čo je číslo, ktoré prevyšuje štrnásť stoviek kremíka, a výskumníci na toto číslo poukazujú už viac ako dvadsať rokov, zatiaľ čo praktické grafénové tranzistory, ktoré skutočne konkurujú kremíku v skutočnom obvode, zostávajú zväčša mimo dosahu.

 

Čestná pozícia

Kremík je najbežnejším polovodičom a zostane ním dlhšie, než ho uvidí väčšina ľudí, ktorí v súčasnosti pracujú v tomto odvetví. GaN a SiC nevytláčajú kremík široko. Vyhrávajú špecifické kúty trhu, kde fyzika kremíka skutočne prestala vyhovovať, a kremík sa týchto kútov vzdáva bez veľkého boja, pretože tamojšia ekonomika sa proti nemu posunula.

To, čo sa v skutočnosti mení, je niečo jemnejšie. Po väčšinu histórie polovodičového priemyslu nebol kremík len najbežnejším materiálom. Bol to predpokladaný materiál, východiskový bod pre akúkoľvek konverzáciu o dizajne, štandard, od ktorého ste sa odchýlili len vtedy, keď ste na to mali nezvyčajne silný dôvod. Tento predpoklad sa na okrajoch uvoľňuje. Nezrútiť sa, nezvrhnúť, len uvoľniť. Najbežnejším polovodičom je stále kremík. Najzaujímavejšou otázkou v oblasti polovodičových materiálov v súčasnosti je, kde kremík prestáva byť jasnou odpoveďou a čo vypĺňa priestor, ktorý zanecháva.