Qual è il semiconduttore più comune? La storia dietro la stretta mortale del silicio sull'elettronica moderna

Entra in qualsiasi laboratorio di elettronica e chiedi quale materiale mantiene occupati gli ingegneri e sentirai ogni volta la stessa parola. Silicio. È stata la risposta per così tanto tempo che la domanda non viene più posta. Un'intera regione della California porta il suo nome. Le più grandi aziende del mondo si basano su di esso, letteralmente e finanziariamente. Ma il silicio non è arrivato a questa posizione perché qualcuno ha deciso che fosse il miglior semiconduttore immaginabile. È arrivato lì grazie a una combinazione di buona chimica, tempismo fortunato e quel tipo di slancio industriale che è quasi impossibile invertire una volta avviato.

 

 

Semiconduttore

 

Non è iniziato con il silicio

Il primo transistor non era fatto di silicio. Quando Bardeen e Brattain dimostrarono il loro dispositivo ai Bell Labs nel dicembre 1947, il materiale sotto i loro contatti dorati era germanio. C'erano buone ragioni per questo. Il germanio era più facile da purificare fino ai livelli richiesti dai primi lavori sui semiconduttori, e gli elettroni si muovevano attraverso di esso più liberamente che attraverso il silicio alle tensioni utilizzate dai ricercatori. Se nel 1950 fossi stato un fisico a scommettere su quale materiale avrebbe dominato l'industria elettronica, il germanio non sarebbe stata una scelta irragionevole.

Ha perso comunque. E il modo in cui ha perso dice qualcosa di importante sul modo in cui la tecnologia si sviluppa effettivamente, che raramente si trova lungo il percorso che sembra più promettente all’inizio.

Il difetto fatale del germanio era termico. Il suo gap di banda è pari a 0,67 elettronvolt, sufficientemente stretto da far sì che l'aumento delle temperature provochi perdite di corrente nei dispositivi in ​​modi che gli ingegneri non possono facilmente controllare. Metti un transistor al germanio all'interno di un pezzo di hardware militare, o vicino a un tubo a vuoto caldo, o semplicemente in un dispositivo in funzione da un'ora, e il suo comportamento cambierebbe. Questo tipo di imprevedibilità è tollerabile in un laboratorio. Non è tollerabile in un prodotto.

 

Uno strato di vetro che ha cambiato la produzione

Il silicio ha una banda proibita di 1,1 elettronvolt, che gli conferisce una stabilità termica significativamente migliore. I dispositivi costruiti sul silicio potrebbero funzionare in modo affidabile a temperature che causavano un comportamento anomalo del germanio. Solo questo avrebbe potuto essere sufficiente a far pendere l’ago della bilancia. Ma il silicio aveva un secondo vantaggio che nessuno aveva del tutto previsto, e che si rivelò essere più importante di ogni altra cosa.

Quando il silicio viene esposto all'ossigeno, sulla sua superficie forma uno strato sottile, duro e uniforme di biossido di silicio. Il biossido di silicio è elettricamente isolante, chimicamente stabile e si lega al silicio sottostante con una consistenza che può essere controllata e ripetuta su un intero wafer. Quando, alla fine degli anni '50, gli ingegneri stavano cercando di capire come costruire transistor su una superficie piana e collegarli insieme al metallo depositato, lo strato di ossido nativo divenne l'ingrediente essenziale. Serviva da barriera isolante tra i componenti. Potresti coltivarlo termicamente, incidervi finestre con acido, depositarvi sopra nuovi strati e fare tutto questo con sufficiente precisione da definire caratteristiche che l'occhio non può vedere.

Il germanio non ha tale ossido. Il biossido di germanio si dissolve in acqua e si sfalda alle temperature richieste dalla lavorazione dei semiconduttori. Questo non era un problema risolvibile con una migliore ingegneria. Era una proprietà materiale e di fatto escludeva il germanio dal processo di produzione su cui stava convergendo l'industria.

Il silicio ha vinto non solo per quello che era, ma per quello che ha fatto all’interno di un ambiente di fabbricazione. Il processo planare necessitava di un materiale con un ossido stabile e coltivabile. Il silicio ne aveva uno. Tutto il resto è seguito da lì.

 

Come appare il novanta per cento dei wafer del mondo

Il silicio rappresenta oggi oltre il novanta per cento di tutti i wafer semiconduttori prodotti a livello globale. È il substrato per i processori del tuo laptop, la memoria del tuo telefono, il sensore di immagine della tua fotocamera, i transistor di potenza nel controller del compressore del tuo frigorifero e le celle solari che si trovano su un numero crescente di tetti. L’ampiezza della sua presenza è difficile da sopravvalutare.

Parte di ciò che sostiene questo è la pura scala industriale. La costruzione di un moderno impianto per la fabbricazione di wafer di silicio costa tra i dieci e i venti miliardi di dollari, e ogni strumento al suo interno, ogni processo chimico, ogni procedura di controllo qualità, è stato sviluppato e perfezionato nel corso di decenni pensando specificamente al silicio. I fotoresist sono formulati per il silicio. Le sostanze chimiche dell'attacco sono ottimizzate per il silicio. Gli ingegneri conoscono il silicio.

Ciò a cui la maggior parte delle persone esterne al settore non pensa è l’infrastruttura di supporto che consente una corsa favolosa. La produzione di semiconduttori dipende da un flusso ininterrotto di acqua ultrapura, gas di processo e agenti chimici aggressivi che si muovono attraverso sistemi di distribuzione attentamente controllati. Ogni percorso dei fluidi in una fabbrica, dai circuiti dell'acqua deionizzata che sciacquano i wafer tra i passaggi alle linee che trasportano l'acido fluoridrico per la rimozione dell'ossido, richiede componenti in grado di gestire mezzi corrosivi senza contaminare il processo. UNvalvola a sfera in acciaio inossidabileè uno dei punti di controllo più comuni in questi sistemi, utilizzato per isolare le linee, regolare il flusso e consentire la manutenzione senza interrompere l'intero circuito. Gli standard di pulizia applicati a queste valvole in un ambiente di semiconduttori sono considerevolmente più severi che nella maggior parte degli altri settori, perché anche tracce di contaminazione metallica da un raccordo non adeguatamente specificato possono rovinare un intero lotto di wafer. Per questo motivo, gli ingegneri delle fabbriche trattano la scelta di ogni valvola a sfera in acciaio inossidabile in un sistema di distribuzione di prodotti chimici con la stessa serietà con cui specificano le apparecchiature di processo, esaminano le certificazioni dei materiali, gli standard di finitura superficiale e i livelli di contaminanti estraibili prima che una singola valvola venga installata sulla linea.

Questo è il livello del settore che appare raramente nella copertura dei chip e della fabbricazione, ma è essenziale quanto le stesse macchine litografiche. Quando si parla della difficoltà di replicare o ricollocare la catena di fornitura dei semiconduttori, in parte si parla di questo: della specificità accumulata di ogni componente del processo, fino ai raccordi e all'hardware di controllo del flusso all'interno di un armadio per la consegna di prodotti chimici.

 

Valvola a sfera in acciaio inossidabile LEADTEK 2PC

 

I luoghi in cui il silicio finisce fuori strada

Il silicio ha dei limiti reali e in alcune applicazioni tali limiti hanno smesso di essere preoccupazioni teoriche e hanno iniziato a essere veri problemi ingegneristici.

Il nitruro di gallio ha una banda proibita di 3,4 elettronvolt, più di tre volte quella del silicio. Questo divario più ampio consente ai transistor GaN di bloccare tensioni più elevate, commutare a frequenze più elevate e dissipare il calore in modo più efficace rispetto a un dispositivo in silicio di dimensioni comparabili. I caricabatterie rapidi forniti con gli attuali smartphone e laptop utilizzano transistor di potenza GaN anziché in silicio, motivo per cui possono contenere sessanta o cento watt di capacità di ricarica in qualcosa di abbastanza piccolo da poter essere dimenticato nella tasca della giacca. Il silicio avrebbe bisogno di un dispositivo fisicamente più grande per svolgere lo stesso lavoro con la stessa efficienza. Gli amplificatori GaN sono anche fondamentali per l’infrastruttura delle stazioni base 5G, dove i limiti di frequenza del silicio diventano un limite rigido piuttosto che una linea guida morbida.

Il carburo di silicio svolge un ruolo simile a livelli di potenza più elevati, in particolare dove la rimozione del calore rappresenta il vincolo vincolante. La sua conduttività termica è circa tre volte quella del silicio, il che è importante quando si fanno passare centinaia di kilowatt attraverso l'inverter di un veicolo elettrico. Diversi importanti produttori hanno spostato i loro inverter di trazione dagli IGBT in silicio ai moduli in carburo di silicio, e i miglioramenti in termini di efficienza sono stati abbastanza reali da essere visibili nei dati sull’autonomia pratica.

Oltre a questi due ci sono materiali che suscitano un notevole interesse di ricerca ma non sono ancora entrati nella produzione tradizionale. L'ossido di gallio ha una banda proibita che si avvicina a cinque elettronvolt e caratteristiche teoriche di rottura che lo renderebbero utile in applicazioni ad altissima tensione, ma la tecnologia per la crescita di wafer-privi di difetti su larga scala è ancora in fase di elaborazione. La mobilità degli elettroni del grafene è teoricamente di circa duecentomila centimetri quadrati per volt-secondo, un numero che fa impallidire i millequattrocento del silicio, e i ricercatori puntano a quel numero da quasi vent'anni, mentre i transistor di grafene che effettivamente competono con il silicio in un circuito reale rimangono in gran parte fuori portata.

 

La posizione onesta

Il silicio è il semiconduttore più comune e rimarrà tale per un periodo più lungo di quello che la maggior parte delle persone che attualmente lavorano nel settore potranno vedere. GaN e SiC non stanno soppiantando ampiamente il silicio. Stanno conquistando angoli specifici del mercato in cui la fisica del silicio ha davvero smesso di essere adeguata, e il silicio sta cedendo quegli angoli senza molta lotta perché l'economia lì si è spostata contro di essa.

Ciò che in realtà sta cambiando è qualcosa di più sottile. Per gran parte della storia dell’industria dei semiconduttori, il silicio non è stato solo il materiale più comune. Era il materiale presupposto, il punto di partenza per qualsiasi conversazione progettuale, il valore predefinito da cui ti allontanavi solo quando avevi una ragione insolitamente forte per farlo. Questa ipotesi si sta allentando ai margini. Non crollare, non essere rovesciato, semplicemente allentarsi. Il semiconduttore più comune è ancora il silicio. La domanda più interessante sui materiali semiconduttori in questo momento è dove il silicio smette di essere la risposta ovvia e cosa riempie lo spazio che lascia dietro di sé.