Was ist der häufigste Halbleiter? Die Geschichte hinter Siliziums Würgegriff auf die moderne Elektronik

Gehen Sie in ein Elektroniklabor und fragen Sie, welches Material Ingenieure beschäftigt, und Sie werden jedes Mal das gleiche Wort hören. Silizium. Es ist schon so lange die Antwort, dass die Frage kaum noch gestellt wird. Eine ganze Region Kaliforniens trägt seinen Namen. Die größten Unternehmen der Welt sind buchstäblich und finanziell darauf aufgebaut. Doch Silizium erreichte diese Position nicht, weil jemand entschied, dass es der beste Halbleiter sei, den man sich vorstellen kann. Dies gelang durch eine Kombination aus guter Chemie, glücklichem Timing und einer industriellen Dynamik, die kaum wieder rückgängig gemacht werden kann, wenn sie erst einmal in Gang gekommen ist.

 

 

Halbleiter

 

Es begann nicht mit Silizium

Der erste Transistor bestand nicht aus Silizium. Als Bardeen und Brattain ihr Gerät im Dezember 1947 in den Bell Labs vorführten, bestand das Material unter ihren Goldkontakten aus Germanium. Dafür gab es gute Gründe. Germanium ließ sich leichter auf das Niveau reinigen, das für frühe Halbleiterarbeiten erforderlich war, und Elektronen bewegten sich bei den von den Forschern verwendeten Spannungen freier durch es als durch Silizium. Wenn Sie 1950 als Physiker darauf gewettet hätten, welches Material die Elektronikindustrie dominieren würde, wäre Germanium keine unvernünftige Wahl gewesen.

Es hat trotzdem verloren. Und die Art und Weise, wie sie verloren gegangen ist, sagt etwas Wichtiges darüber aus, wie sich Technologie tatsächlich entwickelt, und zwar selten auf dem Weg, der zu Beginn am vielversprechendsten erscheint.

Der fatale Fehler des Germaniums war thermischer Natur. Seine Bandlücke liegt bei 0,67 Elektronenvolt und ist damit schmal genug, dass steigende Temperaturen dazu führten, dass Geräte auf eine Weise Strom verloren, die für Ingenieure nicht einfach zu kontrollieren war. Wenn man einen Germaniumtransistor in ein militärisches Gerät oder in die Nähe einer warmen Vakuumröhre oder einfach in ein Gerät einbaut, das eine Stunde lang in Betrieb war, änderte sich sein Verhalten. Diese Art von Unvorhersehbarkeit ist in einem Labor tolerierbar. Es ist in einem Produkt nicht tolerierbar.

 

Eine Glasschicht, die die Fertigung veränderte

Silizium hat eine Bandlücke von 1,1 Elektronenvolt, was ihm eine deutlich bessere thermische Stabilität verleiht. Auf Silizium basierende Geräte konnten zuverlässig bei Temperaturen laufen, die zu Fehlverhalten von Germanium führten. Das allein hätte vielleicht den Ausschlag gegeben. Aber Silizium hatte einen zweiten Vorteil, mit dem niemand so richtig gerechnet hatte, und der erwies sich als wichtiger als alles andere.

Wenn Silizium Sauerstoff ausgesetzt wird, bildet sich auf seiner Oberfläche eine dünne, harte und gleichmäßige Schicht aus Siliziumdioxid. Siliziumdioxid ist elektrisch isolierend, chemisch stabil und verbindet sich mit dem darunter liegenden Silizium mit einer Konsistenz, die über den gesamten Wafer kontrolliert und wiederholt werden kann. Als Ingenieure Ende der 1950er-Jahre daran arbeiteten, Transistoren auf einer flachen Oberfläche aufzubauen und sie mit abgeschiedenem Metall zu verdrahten, wurde diese natürliche Oxidschicht zum wesentlichen Bestandteil. Es diente als isolierende Barriere zwischen den Komponenten. Man könnte es thermisch wachsen lassen, mit Säure Fenster hineinätzen, neue Schichten darauf auftragen und das alles mit ausreichender Präzision, um Merkmale zu definieren, die das Auge nicht sehen kann.

Germanium hat kein solches Oxid. Germaniumdioxid löst sich in Wasser und zerfällt bei den Temperaturen, die für die Halbleiterverarbeitung erforderlich sind. Dieses Problem war mit besserer Technik nicht lösbar. Es handelte sich um eine Materialeigenschaft, die Germanium effektiv aus dem Herstellungsprozess ausschloss, auf den sich die Industrie konzentrierte.

Silizium hat nicht nur aufgrund seiner Eigenschaften gewonnen, sondern auch aufgrund dessen, was es in einer Fertigungsumgebung leistet. Für den Planarprozess war ein Material mit einem stabilen, wachstumsfähigen Oxid erforderlich. Silizium hatte eines. Daraus folgte alles weitere.

 

Wie neunzig Prozent der Waffeln der Welt aussehen

Mittlerweile macht Silizium mehr als neunzig Prozent aller weltweit produzierten Halbleiterwafer aus. Es ist das Substrat für die Prozessoren in Ihrem Laptop, den Speicher in Ihrem Telefon, den Bildsensor in Ihrer Kamera, die Leistungstransistoren in der Kompressorsteuerung Ihres Kühlschranks und die Solarzellen, die auf immer mehr Dächern installiert werden. Die Breite seiner Präsenz ist kaum zu überschätzen.

Ein Grund dafür ist zum Teil der schiere industrielle Maßstab. Der Bau einer modernen Anlage zur Herstellung von Siliziumwafern kostet zwischen zehn und zwanzig Milliarden Dollar, und jedes darin enthaltene Werkzeug, jeder chemische Prozess, jedes Qualitätskontrollverfahren wurde über Jahrzehnte speziell mit Blick auf Silizium entwickelt und verfeinert. Die Fotolacke sind für Silizium formuliert. Die Ätzchemie ist auf Silizium abgestimmt. Die Ingenieure kennen sich mit Silizium aus.

Woran die meisten Menschen außerhalb der Branche nicht denken, ist die unterstützende Infrastruktur, die eine Fabrik zum Laufen bringt. Die Halbleiterfertigung ist auf einen ununterbrochenen Fluss von Reinstwasser, Prozessgasen und aggressiven chemischen Ätzmitteln angewiesen, die durch sorgfältig kontrollierte Zufuhrsysteme strömen. Jeder Flüssigkeitspfad in einer Fabrik, von den entionisierten Wasserkreisläufen, die die Wafer zwischen den Schritten spülen, bis hin zu den Leitungen, die Flusssäure zur Oxidentfernung transportieren, erfordert Komponenten, die mit korrosiven Medien umgehen können, ohne den Prozess zu verunreinigen. AKugelhahn aus Edelstahlist einer der häufigsten Kontrollpunkte in diesen Systemen. Er dient dazu, Leitungen zu isolieren, den Durchfluss zu regulieren und Wartungsarbeiten zu ermöglichen, ohne den gesamten Kreislauf abzuschalten. Die Sauberkeitsstandards, die für diese Ventile in einer Halbleiterumgebung gelten, sind erheblich anspruchsvoller als in den meisten anderen Branchen, da selbst Spuren von Metallverunreinigungen durch eine schlecht spezifizierte Armatur eine ganze Wafer-Charge ruinieren können. Aus diesem Grund nehmen Fabrikingenieure die Auswahl jedes Edelstahl-Kugelhahns in einem Chemikalienabgabesystem mit der gleichen Ernsthaftigkeit wahr, die sie bei der Spezifikation von Prozessgeräten, der Überprüfung von Materialzertifizierungen, Oberflächenbeschaffenheitsstandards und dem Gehalt an extrahierbaren Verunreinigungen an den Tag legen, bevor ein einzelnes Ventil in der Linie installiert wird.

Dies ist der Bereich der Branche, der in der Berichterstattung über Chips und Fertigung selten vorkommt, aber genauso wichtig ist wie die Lithografiemaschinen selbst. Wenn man davon spricht, dass die Halbleiter-Lieferkette schwer zu reproduzieren oder zu verlagern ist, meint man zum Teil dies: die Gesamtspezifität jeder einzelnen Komponente im Prozess, bis hin zu den Armaturen und der Durchflusskontrollhardware in einem Chemikalienlieferschrank.

 

LEADTEK 2PC Edelstahl-Kugelhahn

 

Die Orte, an denen Silizium keine Chance mehr hat

Silizium hat tatsächlich Grenzen, und in bestimmten Anwendungen sind diese Grenzen keine theoretischen Bedenken mehr, sondern echte technische Probleme.

Galliumnitrid hat eine Bandlücke von 3,4 Elektronenvolt, mehr als dreimal so viel wie die von Silizium. Durch diese größere Lücke können GaN-Transistoren höhere Spannungen blockieren, mit höheren Frequenzen schalten und Wärme effektiver ableiten als ein Siliziumgerät vergleichbarer Größe. Die Schnellladegeräte, die mit aktuellen Smartphones und Laptops ausgeliefert werden, verwenden statt Silizium-Leistungstransistoren GaN-Leistungstransistoren, weshalb sie eine Ladeleistung von 60 oder 100 Watt in etwas unterbringen können, das klein genug ist, um es in der Jackentasche zu vergessen. Silizium würde ein physisch größeres Gerät benötigen, um die gleiche Aufgabe bei gleicher Effizienz zu erfüllen. GaN-Verstärker sind auch von zentraler Bedeutung für die 5G-Basisstationsinfrastruktur, wo die Frequenzgrenzen von Silizium eher zu einer harten Obergrenze als zu einer weichen Richtlinie werden.

Siliziumkarbid spielt bei höheren Leistungsstufen eine ähnliche Rolle, insbesondere dort, wo die Wärmeabfuhr die Bindungsbeschränkung darstellt. Seine Wärmeleitfähigkeit ist etwa dreimal so hoch wie die von Silizium, was wichtig ist, wenn Sie Hunderte von Kilowatt durch den Wechselrichter eines Elektrofahrzeugs leiten. Mehrere große Hersteller haben ihre Traktionswechselrichter von Silizium-IGBTs auf Siliziumkarbid-Module umgestellt, und die Effizienzsteigerungen waren real genug, um sich in den Reichweitenzahlen niederzuschlagen.

Über diese beiden hinaus gibt es Materialien, die großes Forschungsinteresse hervorrufen, aber noch nicht in die Mainstream-Produktion übergegangen sind. Galliumoxid hat eine Bandlücke von annähernd fünf Elektronenvolt und theoretische Durchbruchseigenschaften, die es für Anwendungen mit sehr hoher Spannung nützlich machen würden, aber die Technologie für die Züchtung von defektfreien Wafern im großen Maßstab wird noch ausgearbeitet. Die Elektronenmobilität von Graphen liegt theoretisch bei etwa zweihunderttausend Quadratzentimetern pro Volt-Sekunde, eine Zahl, die die von Silizium in den Schatten stellt, und Forscher weisen seit fast zwanzig Jahren auf diese Zahl hin, während praktische Graphentransistoren, die tatsächlich mit Silizium in einem realen Schaltkreis konkurrieren, weitgehend unerreichbar bleiben.

 

Die ehrliche Position

Silizium ist der am weitesten verbreitete Halbleiter und wird es auch länger bleiben, als die meisten Menschen, die derzeit in der Branche arbeiten, sehen können. GaN und SiC verdrängen Silizium nicht allgemein. Sie erobern die spezifischen Bereiche des Marktes, in denen die physikalischen Eigenschaften von Silizium wirklich nicht mehr ausreichend sind, und Silizium gibt diese Bereiche ohne große Gegenwehr ab, weil sich dort die wirtschaftlichen Verhältnisse zu seinen Ungunsten entwickelt haben.

Was sich tatsächlich ändert, ist etwas Subtileres. Während des größten Teils der Geschichte der Halbleiterindustrie war Silizium nicht nur das am häufigsten verwendete Material. Es war das angenommene Material, der Ausgangspunkt für jedes Designgespräch, die Vorgabe, von der man nur dann abwich, wenn man einen ungewöhnlich starken Grund dafür hatte. Diese Annahme lockert sich an den Rändern. Nicht zusammenbrechen, nicht gestürzt werden, nur lockern. Der am weitesten verbreitete Halbleiter ist nach wie vor Silizium. Die derzeit interessanteste Frage bei Halbleitermaterialien ist, wo Silizium nicht mehr die offensichtliche Antwort ist und was den Raum füllt, den es hinterlässt.