เซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุดคืออะไร? เรื่องราวเบื้องหลังการกำมือของซิลิคอนเกี่ยวกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

เดินเข้าไปในห้องปฏิบัติการอิเล็กทรอนิกส์และถามว่าวัสดุใดที่ทำให้วิศวกรจ้างงาน แล้วคุณจะได้ยินคำเดียวกันทุกครั้ง ซิลิคอน. เป็นคำตอบมานานจนแทบไม่มีคนถามอีกต่อไป ภูมิภาคแคลิฟอร์เนียทั้งหมดมีชื่อนี้ บริษัทที่ใหญ่ที่สุดในโลกถูกสร้างขึ้นบนนั้นทั้งในด้านตัวอักษรและด้านการเงิน แต่ซิลิคอนไม่ได้มาถึงตำแหน่งนี้เพราะมีคนตัดสินใจว่ามันเป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่ดีที่สุดเท่าที่จะจินตนาการได้ มันมาถึงจุดนั้นด้วยการผสมผสานระหว่างเคมีที่ดี จังหวะที่โชคดี และโมเมนตัมทางอุตสาหกรรมที่แทบเป็นไปไม่ได้เลยที่จะย้อนกลับเมื่อมันดำเนินไป

 

 

เซมิคอนดักเตอร์

 

มันไม่ได้เริ่มต้นด้วยซิลิคอน

ทรานซิสเตอร์ตัวแรกไม่ได้ทำจากซิลิคอน เมื่อ Bardeen และ Brattain สาธิตอุปกรณ์ของพวกเขาที่ Bell Labs ในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2490 วัสดุที่อยู่ใต้หน้าสัมผัสทองคำคือเจอร์เมเนียม มีเหตุผลที่ดีสำหรับเรื่องนี้ เจอร์เมเนียมสามารถชำระให้บริสุทธิ์ได้ง่ายกว่าถึงระดับที่งานเซมิคอนดักเตอร์ในยุคแรกๆ ต้องการ และอิเล็กตรอนก็เคลื่อนที่ผ่านมันได้อย่างอิสระมากกว่าผ่านซิลิคอนที่แรงดันไฟฟ้าที่นักวิจัยใช้ หากคุณเคยเป็นนักฟิสิกส์ในปี 1950 โดยเดิมพันว่าวัสดุชนิดใดจะเข้ามาครอบงำอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ เจอร์เมเนียมคงไม่ใช่ทางเลือกที่ไร้เหตุผล

ยังไงก็แพ้.. และการที่มันสูญเสียไปนั้นบอกบางสิ่งที่สำคัญเกี่ยวกับการพัฒนาเทคโนโลยีอย่างแท้จริง ซึ่งแทบจะไม่เคยเป็นไปตามเส้นทางที่ดูมีแนวโน้มมากที่สุดตั้งแต่เริ่มต้น

ข้อบกพร่องร้ายแรงของเจอร์เมเนียมคือความร้อน Bandgap อยู่ที่ 0.67 อิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งแคบมากพอที่จะทำให้อุณหภูมิที่สูงขึ้นส่งผลให้อุปกรณ์เกิดการรั่วไหลของกระแสในลักษณะที่วิศวกรไม่สามารถควบคุมได้ง่าย ใส่ทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมไว้ในชิ้นส่วนอุปกรณ์ทางการทหาร หรือใกล้กับท่อสุญญากาศอุ่นๆ หรือเพียงแค่ในอุปกรณ์ที่ทำงานเป็นเวลาหนึ่งชั่วโมง พฤติกรรมก็จะเปลี่ยนไป ความคาดเดาไม่ได้แบบนั้นสามารถทนได้ในห้องปฏิบัติการ มันทนไม่ได้ในผลิตภัณฑ์

 

ชั้นกระจกที่เปลี่ยนการผลิต

ซิลิคอนมีแถบความถี่ 1.1 อิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งทำให้เสถียรภาพทางความร้อนดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด อุปกรณ์ที่สร้างจากซิลิคอนสามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือที่อุณหภูมิซึ่งทำให้เจอร์เมเนียมทำงานผิดปกติ เพียงอย่างเดียวอาจเพียงพอที่จะทำให้สมดุลได้ แต่ซิลิคอนมีข้อได้เปรียบประการที่สองที่ไม่มีใครคาดคิดมาก่อน และมันก็กลายเป็นสิ่งสำคัญมากกว่าสิ่งอื่นใด

เมื่อซิลิคอนสัมผัสกับออกซิเจน มันจะเกิดชั้นซิลิคอนไดออกไซด์ที่บางและแข็งสม่ำเสมอบนพื้นผิว ซิลิคอนไดออกไซด์เป็นฉนวนไฟฟ้า มีความเสถียรทางเคมี และเกาะติดกับซิลิคอนที่อยู่ด้านล่างด้วยความสม่ำเสมอที่สามารถควบคุมและทำซ้ำได้ทั่วทั้งแผ่นเวเฟอร์ เมื่อวิศวกรในช่วงปลายทศวรรษ 1950 กำลังหาวิธีสร้างทรานซิสเตอร์บนพื้นผิวเรียบและต่อเข้ากับโลหะที่สะสมไว้ ชั้นออกไซด์ตามธรรมชาตินั้นกลายเป็นส่วนประกอบสำคัญ มันทำหน้าที่เป็นฉนวนกั้นระหว่างส่วนประกอบต่างๆ คุณสามารถขยายมันโดยใช้ความร้อน กัดหน้าต่างด้วยกรด วางชั้นใหม่ไว้ด้านบน และทำทั้งหมดนี้ด้วยความแม่นยำเพียงพอที่จะกำหนดคุณสมบัติที่ตาไม่สามารถมองเห็นได้

เจอร์เมเนียมไม่มีออกไซด์ดังกล่าว เจอร์เมเนียมไดออกไซด์ละลายในน้ำและแตกตัวที่อุณหภูมิที่ต้องใช้ในการแปรรูปเซมิคอนดักเตอร์ นี่ไม่ใช่ปัญหาที่แก้ไขได้ด้วยวิศวกรรมที่ดีกว่า มันเป็นคุณสมบัติของวัสดุ และทำให้เจอร์เมเนียมถูกตัดสิทธิ์จากกระบวนการผลิตที่อุตสาหกรรมกำลังรวมตัวกันอยู่อย่างมีประสิทธิภาพ

ซิลิคอนชนะไม่ได้เพียงเพราะสิ่งที่เป็นอยู่ แต่เป็นเพราะสิ่งที่ทำในสภาพแวดล้อมการประดิษฐ์ กระบวนการระนาบต้องใช้วัสดุที่มีออกไซด์ที่เสถียรและเติบโตได้ ซิลิคอนก็มีอันหนึ่ง ทุกอย่างอื่นตามมาจากนั้น

 

เก้าสิบเปอร์เซ็นต์ของเวเฟอร์ในโลกมีลักษณะอย่างไร

ปัจจุบันซิลิคอนคิดเป็นสัดส่วนมากกว่าร้อยละเก้าสิบของเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมดที่ผลิตทั่วโลก มันเป็นสารตั้งต้นสำหรับโปรเซสเซอร์ในแล็ปท็อปของคุณ หน่วยความจำในโทรศัพท์ของคุณ เซ็นเซอร์ภาพในกล้องของคุณ ทรานซิสเตอร์กำลังในตัวควบคุมคอมเพรสเซอร์ของตู้เย็น และเซลล์แสงอาทิตย์ที่ขึ้นไปบนหลังคาบ้านจำนวนมากขึ้น ความกว้างของการมีอยู่นั้นยากที่จะพูดเกินจริง

ส่วนหนึ่งของสิ่งที่สนับสนุนสิ่งนี้คือขนาดอุตสาหกรรมที่แท้จริง โรงงานผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนสมัยใหม่มีต้นทุนการก่อสร้างประมาณ 10 ถึง 20 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ และเครื่องมือทุกอย่างที่อยู่ภายในโรงงาน กระบวนการทางเคมีทุกขั้นตอน ทุกขั้นตอนการควบคุมคุณภาพ ได้รับการพัฒนาและปรับปรุงมานานหลายทศวรรษโดยคำนึงถึงซิลิคอนเป็นพิเศษ สารไวแสงได้รับการกำหนดสูตรสำหรับซิลิคอน เคมีกัดกรดได้รับการปรับแต่งสำหรับซิลิคอน วิศวกรรู้จักซิลิคอน

สิ่งที่คนส่วนใหญ่นอกอุตสาหกรรมไม่ได้นึกถึงคือโครงสร้างพื้นฐานที่สนับสนุนที่ทำให้การดำเนินงานเป็นไปอย่างยอดเยี่ยม การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับการไหลของน้ำบริสุทธิ์พิเศษ ก๊าซในกระบวนการ และสารกัดกร่อนทางเคมีที่รุนแรงซึ่งเคลื่อนที่ผ่านระบบการจัดส่งที่มีการควบคุมอย่างระมัดระวังอย่างต่อเนื่อง ทางเดินของของไหลทุกเส้นทางในโรงงานผลิต ตั้งแต่วงจรน้ำปราศจากไอออนที่จะชะล้างแผ่นเวเฟอร์ระหว่างขั้นตอนไปจนถึงท่อที่มีกรดไฮโดรฟลูออริกสำหรับการกำจัดออกไซด์ ต้องใช้ส่วนประกอบที่สามารถจัดการกับตัวกลางที่มีฤทธิ์กัดกร่อนได้โดยไม่ทำให้กระบวนการปนเปื้อน กบอลวาล์วสแตนเลสเป็นหนึ่งในจุดควบคุมที่พบบ่อยที่สุดในระบบเหล่านี้ ซึ่งใช้ในการแยกสาย ควบคุมการไหล และอนุญาตการบำรุงรักษาโดยไม่ต้องปิดทั้งลูป มาตรฐานความสะอาดที่ใช้กับวาล์วเหล่านี้ในสภาพแวดล้อมเซมิคอนดักเตอร์นั้นมีความต้องการมากกว่าในอุตสาหกรรมอื่นๆ ส่วนใหญ่ เนื่องจากแม้แต่ร่องรอยการปนเปื้อนของโลหะจากข้อต่อที่ระบุไม่ดีก็อาจทำให้เวเฟอร์ทั้งชุดเสียหายได้ ด้วยเหตุนี้ วิศวกร fab จึงปฏิบัติต่อการเลือกบอลวาล์วสแตนเลสทุกตัวในระบบการจัดส่งสารเคมีด้วยความเข้มงวดเช่นเดียวกับการเลือกอุปกรณ์ในกระบวนการผลิต ตรวจสอบการรับรองวัสดุ มาตรฐานการตกแต่งพื้นผิว และระดับสารปนเปื้อนที่สกัดได้ก่อนที่จะติดตั้งวาล์วตัวเดียวในสายการผลิต

นี่คือชั้นของอุตสาหกรรมที่ไม่ค่อยปรากฏในความครอบคลุมของชิปและการแปรรูป แต่มันก็มีความสำคัญพอๆ กับเครื่องจักรการพิมพ์หินเอง เมื่อผู้คนพูดถึงห่วงโซ่อุปทานเซมิคอนดักเตอร์ที่ยากต่อการทำซ้ำหรือย้ายตำแหน่ง พวกเขากำลังพูดถึงบางส่วน: ความเฉพาะเจาะจงที่สะสมของส่วนประกอบทุกชิ้นในกระบวนการ ไปจนถึงข้อต่อและฮาร์ดแวร์ควบคุมการไหลภายในตู้จัดส่งสารเคมี

 

LEADTEK บอลวาล์วสแตนเลส 2PC

 

สถานที่ที่ซิลิคอนวิ่งออกไปจากถนน

ซิลิคอนมีข้อจำกัดที่แท้จริง และในการใช้งานบางอย่าง ขีดจำกัดเหล่านั้นได้เลิกเป็นข้อกังวลทางทฤษฎีแล้ว และเริ่มเป็นปัญหาทางวิศวกรรมที่แท้จริง

แกลเลียมไนไตรด์มีช่องว่างระหว่างอิเล็กตรอน 3.4 โวลต์ มากกว่าซิลิคอนถึง 3 เท่า ช่องว่างที่กว้างกว่านั้นช่วยให้ทรานซิสเตอร์ GaN ปิดกั้นแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า สลับที่ความถี่ที่สูงกว่า และกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าอุปกรณ์ซิลิคอนที่มีขนาดใกล้เคียงกัน เครื่องชาร์จแบบเร็วที่มาพร้อมกับสมาร์ทโฟนและแล็ปท็อปในปัจจุบันใช้ทรานซิสเตอร์กำลังแบบ GaN แทนที่จะเป็นแบบซิลิคอน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงสามารถใส่ความสามารถในการชาร์จได้หกสิบหรือร้อยวัตต์ลงในอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กพอที่จะลืมไว้ในกระเป๋าเสื้อแจ็คเก็ตได้ ซิลิคอนจะต้องมีอุปกรณ์ที่มีขนาดใหญ่กว่าเพื่อที่จะทำงานเดียวกันได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่ากัน เครื่องขยายสัญญาณ GaN ยังเป็นศูนย์กลางของโครงสร้างพื้นฐานของสถานีฐาน 5G โดยที่การจำกัดความถี่ของซิลิคอนกลายเป็นเพดานแข็งแทนที่จะเป็นแนวทางที่นุ่มนวล

ซิลิคอนคาร์ไบด์มีบทบาทคล้ายกันในระดับพลังงานที่สูงกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อการระบายความร้อนเป็นข้อจำกัดในการยึดเกาะ ค่าการนำความร้อนมีค่าประมาณสามเท่าของซิลิคอน ซึ่งสำคัญเมื่อคุณกำหนดเส้นทางหลายร้อยกิโลวัตต์ผ่านอินเวอร์เตอร์ของรถยนต์ไฟฟ้า ผู้ผลิตรายใหญ่หลายรายได้ย้ายอินเวอร์เตอร์แบบยึดเกาะจากซิลิคอน IGBT ไปเป็นโมดูลซิลิคอนคาร์ไบด์ และประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นก็เพียงพอแล้วที่จะแสดงในรูปของระยะการขับขี่

นอกเหนือจากสองสิ่งนี้แล้ว ยังมีวัสดุที่สร้างความสนใจในการวิจัยเป็นอย่างมาก แต่ยังไม่ได้ข้ามไปสู่การผลิตกระแสหลัก แกลเลียมออกไซด์มีช่องว่างใกล้กับอิเล็กตรอนห้าโวลต์และคุณลักษณะการสลายตามทฤษฎีซึ่งจะทำให้มีประโยชน์ในการใช้งานที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงมาก แต่เทคโนโลยีสำหรับการเพิ่มข้อบกพร่อง-แผ่นเวเฟอร์อิสระตามขนาดนั้นยังอยู่ระหว่างการพัฒนา การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนของกราฟีนในทางทฤษฎีนั้นอยู่ที่ประมาณสองแสนตารางเซนติเมตรต่อโวลต์-วินาที ซึ่งเป็นตัวเลขที่แคระแกร็นถึง 1400 ของซิลิคอน และนักวิจัยได้ชี้ไปที่ตัวเลขนั้นในช่วงยี่สิบปีที่ดีกว่า ขณะที่ทรานซิสเตอร์กราฟีนเชิงปฏิบัติที่แข่งขันกับซิลิคอนในวงจรจริงจริงๆ ยังอยู่ห่างไกลเกินเอื้อม

 

ตำแหน่งที่ซื่อสัตย์

ซิลิคอนเป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุด และจะคงอยู่ได้นานกว่าที่คนส่วนใหญ่ที่ทำงานในอุตสาหกรรมนี้จะได้เห็น GaN และ SiC ไม่ได้แทนที่ซิลิคอนในวงกว้าง พวกเขากำลังชนะในมุมเฉพาะของตลาด ซึ่งฟิสิกส์ของซิลิคอนหยุดความเพียงพออย่างแท้จริง และซิลิคอนกำลังยอมแพ้มุมเหล่านั้นโดยไม่ต้องต่อสู้มากนัก เพราะเศรษฐศาสตร์ที่นั่นได้เปลี่ยนแปลงไปในทางตรงข้าม

สิ่งที่เปลี่ยนแปลงไปจริงๆ คือสิ่งที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น ในประวัติศาสตร์ส่วนใหญ่ของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอนไม่ได้เป็นเพียงวัสดุที่พบได้บ่อยที่สุดเท่านั้น มันเป็นเนื้อหาที่สันนิษฐานไว้ เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการสนทนาเกี่ยวกับการออกแบบใดๆ เป็นค่าเริ่มต้นที่คุณละทิ้งเมื่อคุณมีเหตุผลหนักแน่นผิดปกติเท่านั้น สมมติฐานนั้นกำลังคลายที่ขอบ ไม่พัง ไม่พัง แค่คลายออก เซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุดยังคงเป็นซิลิคอน คำถามที่น่าสนใจที่สุดในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ในขณะนี้คือ ซิลิคอนไม่ใช่คำตอบที่ชัดเจนตรงไหน และอะไรจะเติมเต็มพื้นที่ที่ซิลิคอนทิ้งไว้เบื้องหลัง