Wat is de meest voorkomende halfgeleider? Het verhaal achter Silicon's wurggreep op moderne elektronica

Loop een willekeurig elektronicalaboratorium binnen en vraag welk materiaal ingenieurs aan het werk houdt, en je zult elke keer hetzelfde woord horen. Silicium. Het is al zo lang het antwoord dat de vraag nauwelijks meer wordt gesteld. Een hele regio van Californië draagt ​​zijn naam. De grootste bedrijven ter wereld zijn erop gebouwd, letterlijk en financieel. Maar silicium bereikte deze positie niet omdat iemand besloot dat dit de best denkbare halfgeleider was. Het is daar gekomen door een combinatie van goede chemie, een gelukkige timing en het soort industrieel momentum dat bijna onmogelijk te keren is als het eenmaal op gang komt.

 

 

Halfgeleider

 

Het begon niet met silicium

De eerste transistor was niet van silicium. Toen Bardeen en Brattain hun apparaat in december 1947 bij Bell Labs demonstreerden, was het materiaal onder hun gouden contacten germanium. Daar waren goede redenen voor. Germanium was gemakkelijker te zuiveren tot de niveaus die het vroege halfgeleiderwerk vereiste, en elektronen bewogen er vrijer doorheen dan door silicium bij de spanningen die onderzoekers gebruikten. Als je in 1950 natuurkundige was geweest en had gewed op welk materiaal de elektronica-industrie zou gaan domineren, zou germanium geen onredelijke keuze zijn geweest.

Het verloor hoe dan ook. En de manier waarop deze verloren is gegaan, zegt iets belangrijks over hoe de technologie zich daadwerkelijk ontwikkelt, en dat gebeurt zelden op het pad dat er in eerste instantie het meest veelbelovend uitziet.

De fatale fout van Germanium was thermisch. De bandafstand bedraagt ​​0,67 elektronvolt, smal genoeg dat stijgende temperaturen ervoor zorgden dat apparaten stroom lekten op manieren die ingenieurs niet gemakkelijk konden controleren. Stop een germaniumtransistor in een militair apparaat, of in de buurt van een warme vacuümbuis, of gewoon in een apparaat dat al een uur aan staat, en zijn gedrag zou veranderen. Dat soort onvoorspelbaarheid is in een laboratorium aanvaardbaar. Het is niet aanvaardbaar in een product.

 

Een laag glas die de productie veranderde

Silicium heeft een bandafstand van 1,1 elektronvolt, waardoor het een aanzienlijk betere thermische stabiliteit heeft. Apparaten gebouwd op silicium konden betrouwbaar werken bij temperaturen die ervoor zorgden dat germanium zich misdroeg. Dat alleen al zou genoeg kunnen zijn om de balans te doen doorslaan. Maar silicium had een tweede voordeel dat niemand volledig had voorzien, en dat bleek belangrijker dan wat dan ook.

Wanneer silicium wordt blootgesteld aan zuurstof, ontstaat er een dunne, harde, uniforme laag siliciumdioxide op het oppervlak. Siliciumdioxide is elektrisch isolerend, chemisch stabiel en hecht zich aan het silicium eronder met een consistentie die kan worden gecontroleerd en herhaald over een hele wafer. Toen ingenieurs eind jaren vijftig uitvonden hoe ze transistors op een plat oppervlak konden bouwen en deze met afgezet metaal konden verbinden, werd die natuurlijke oxidelaag het essentiële ingrediënt. Het diende als isolerende barrière tussen componenten. Je zou het thermisch kunnen laten groeien, er ramen doorheen kunnen etsen met zuur, er nieuwe lagen bovenop kunnen aanbrengen, en dit alles met voldoende precisie om kenmerken te definiëren die het oog niet kan zien.

Germanium heeft een dergelijk oxide niet. Germaniumdioxide lost op in water en valt uiteen bij de temperaturen die halfgeleiderverwerking vereist. Dit was geen oplosbaar probleem met betere engineering. Het was een materiële eigenschap en het diskwalificeerde germanium feitelijk van het productieproces waarop de industrie zich richtte.

Silicium won niet puur vanwege wat het was, maar vanwege wat het deed in een fabricageomgeving. Voor het vlakke proces was een materiaal nodig met een stabiel, groeibaar oxide. Silicium had er een. Al het andere volgde daaruit.

 

Hoe negentig procent van de wafels ter wereld eruit ziet

Silicium is nu verantwoordelijk voor meer dan negentig procent van alle halfgeleiderwafels die wereldwijd worden geproduceerd. Het is het substraat voor de processors in uw laptop, het geheugen in uw telefoon, de beeldsensor in uw camera, de vermogenstransistoren in de compressorcontroller van uw koelkast en de zonnecellen die op een toenemend aantal daken terechtkomen. De omvang van zijn aanwezigheid is moeilijk te overschatten.

Een deel van wat dit in stand houdt, is pure industriële schaal. De bouw van een moderne fabriek voor de productie van siliciumwafels kost ergens tussen de tien en twintig miljard dollar, en elk gereedschap daarin, elk chemisch proces, elke kwaliteitscontroleprocedure is in de loop van tientallen jaren ontwikkeld en verfijnd met specifiek silicium in gedachten. De fotoresisten zijn geformuleerd voor silicium. De etschemie is afgestemd op silicium. De ingenieurs kennen silicium.

Waar de meeste mensen buiten de branche niet aan denken, is de ondersteunende infrastructuur die een fantastische run maakt. De productie van halfgeleiders is afhankelijk van een ononderbroken stroom ultrapuur water, procesgassen en agressieve chemische etsmiddelen die door zorgvuldig gecontroleerde afgiftesystemen bewegen. Elk vloeistofpad in een fabriek, van de gedeïoniseerde waterlussen die wafers tussen de stappen spoelen tot de leidingen die fluorwaterstofzuur transporteren voor de verwijdering van oxiden, vereist componenten die corrosieve media kunnen verwerken zonder het proces te vervuilen. Aroestvrijstalen kogelkraanis een van de meest voorkomende controlepunten in deze systemen en wordt gebruikt om lijnen te isoleren, de stroom te regelen en onderhoud mogelijk te maken zonder een hele lus af te sluiten. De reinheidsnormen die in een halfgeleideromgeving op deze kleppen worden toegepast, zijn aanzienlijk veeleisender dan in de meeste andere industrieën, omdat zelfs sporen van metaalverontreiniging door een slecht gespecificeerde fitting een hele batch wafers kunnen ruïneren. Om deze reden behandelen fabrieksingenieurs de selectie van elke roestvrijstalen kogelkraan in een chemicaliëntoevoersysteem met dezelfde ernst als waarmee ze procesapparatuur specificeren, materiaalcertificeringen, normen voor oppervlakteafwerking en niveaus van extraheerbare verontreinigingen beoordelen voordat er een enkele klep op de lijn wordt geïnstalleerd.

Dit is de laag van de industrie die zelden voorkomt in de berichtgeving over chips en fabricage, maar die net zo essentieel is als de lithografiemachines zelf. Als mensen het hebben over de moeilijk te repliceren of te verplaatsen toeleveringsketen van halfgeleiders, hebben ze het gedeeltelijk hierover: de geaccumuleerde specificiteit van elk onderdeel in het proces, tot aan de fittingen en de stroomcontrolehardware in een chemicaliënkast.

 

LEADTEK 2PC roestvrijstalen kogelkraan

 

De plaatsen waar Silicon geen weg meer heeft

Silicium heeft echte grenzen, en in bepaalde toepassingen zijn die grenzen niet langer theoretische problemen, maar echte technische problemen.

Galliumnitride heeft een bandafstand van 3,4 elektronvolt, meer dan drie keer die van silicium. Door die grotere opening kunnen GaN-transistoren hogere spanningen blokkeren, op hogere frequenties schakelen en warmte effectiever afvoeren dan een siliciumapparaat van vergelijkbare grootte. De snelladers die bij de huidige smartphones en laptops worden geleverd, gebruiken GaN-vermogenstransistors in plaats van silicium-transistors, en daarom kunnen ze zestig tot honderd watt aan oplaadcapaciteit in iets stoppen dat klein genoeg is om in een jaszak te vergeten. Silicium zou een fysiek groter apparaat nodig hebben om hetzelfde werk met dezelfde efficiëntie te doen. GaN-versterkers spelen ook een centrale rol in de infrastructuur van 5G-basisstations, waar de frequentielimieten van silicium een ​​hard plafond worden in plaats van een zachte richtlijn.

Siliciumcarbide speelt een soortgelijke rol bij hogere energieniveaus, vooral wanneer warmteverwijdering de bindingsbeperking is. De thermische geleidbaarheid is grofweg drie keer zo groot als die van silicium, wat van belang is als je honderden kilowatts door de omvormer van een elektrisch voertuig stuurt. Verschillende grote fabrikanten hebben hun tractie-omvormers verplaatst van silicium-IGBT's naar siliciumcarbidemodules, en de efficiëntiewinsten waren reëel genoeg om tot uiting te komen in de cijfers over het rijbereik.

Naast deze twee zijn er materialen die aanzienlijke belangstelling voor onderzoek genereren, maar die nog niet in de reguliere productie zijn opgenomen. Galliumoxide heeft een bandafstand van bijna vijf elektronvolt en theoretische doorslagkarakteristieken die het bruikbaar zouden maken in toepassingen met zeer hoge spanning, maar de technologie voor het op grote schaal laten groeien van defectvrije wafers wordt nog steeds uitgewerkt. De elektronenmobiliteit van grafeen bedraagt ​​theoretisch ongeveer tweehonderdduizend vierkante centimeter per volt-seconde, een getal dat de veertienhonderd van silicium in de schaduw stelt, en onderzoekers wijzen al bijna twintig jaar op dat aantal, terwijl praktische grafeentransistors die daadwerkelijk concurreren met silicium in een echt circuit grotendeels buiten bereik blijven.

 

Het eerlijke standpunt

Silicium is de meest voorkomende halfgeleider, en dat zal langer zo blijven dan de meeste mensen die momenteel in de industrie werken zullen zien. GaN en SiC vervangen silicium niet in grote lijnen. Zij veroveren de specifieke hoeken van de markt waar de fysica van silicium werkelijk niet meer adequaat is, en silicium geeft die hoeken zonder veel strijd af omdat de economie daar zich tegen hen heeft gekeerd.

Wat er feitelijk verandert, is iets subtielers. Gedurende het grootste deel van de geschiedenis van de halfgeleiderindustrie was silicium niet alleen het meest voorkomende materiaal. Het was het veronderstelde materiaal, het startpunt voor elk ontwerpgesprek, de standaard waar je alleen van afweek als je daar een ongewoon sterke reden voor had. Die veronderstelling wordt aan de randen losser. Niet instorten, niet omvergeworpen worden, alleen maar loskomen. De meest voorkomende halfgeleider is nog steeds silicium. De meest interessante vraag op het gebied van halfgeleidermaterialen op dit moment is waar silicium niet langer het voor de hand liggende antwoord is, en wat de ruimte opvult die het achterlaat.