Elektronické materiály: Polovodičová technologie

Polovodičová technologie tvoří páteř moderní elektroniky a je základem všeho od chytrých telefonů a počítačů po lékařská zařízení a automobilové systémy. Porozumění materiálům a procesům zapojeným do výroby polovodičů je klíčové pro každého, kdo působí v elektronickém průmyslu, od inženýrů a vědců po obchodní profesionály a investory. Tento komplexní průvodce poskytuje hluboký pohled na elektronické materiály se zaměřením na polovodičovou technologii a její globální dopad.

Co jsou elektronické materiály?

Elektronické materiály jsou látky s elektrickými vlastnostmi, které je činí vhodnými pro použití v elektronických zařízeních. Tyto materiály lze obecně rozdělit na vodiče, izolanty a polovodiče.

• Vodiče, jako je měď a hliník, umožňují snadný průtok elektrického proudu.
• Izolanty, jako je sklo a keramika, brání průtoku elektrického proudu.
• Polovodiče, jako je křemík a germanium, mají vodivost mezi vodiči a izolanty. Jejich vodivost lze řídit vnějšími faktory, což je činí ideálními pro výrobu tranzistorů a dalších elektronických součástek.

Tento průvodce se zaměřuje především na polovodiče, zejména na ty, které se používají při výrobě integrovaných obvodů (IO).

Polovodičové materiály: Klíčoví hráči

Křemík (Si)

Křemík je zdaleka nejpoužívanějším polovodičovým materiálem. Jeho hojnost, relativně nízká cena a dobře zavedené výrobní procesy z něj učinily dominantní materiál v elektronickém průmyslu. Schopnost křemíku tvořit přirozený oxid (SiO2), který je vynikajícím izolantem, je také velkou výhodou.

Výhody křemíku:

• Hojnost: Křemík je druhým nejhojnějším prvkem v zemské kůře.
• Cenová efektivita: Technologie zpracování křemíku je vyspělá a relativně levná.
• Vynikající izolant: Oxid křemičitý (SiO2) je vysoce kvalitní izolant používaný v tranzistorech MOSFET.
• Tepelná stabilita: Dobrá tepelná stabilita při typických provozních teplotách.

Nevýhody křemíku:

• Nižší pohyblivost elektronů: V porovnání s jinými polovodiči má křemík nižší pohyblivost elektronů, což omezuje rychlost zařízení.
• Nepřímý zakázaný pás: Křemík má nepřímý zakázaný pás, což ho činí méně účinným pro optoelektronické aplikace (např. LED diody, lasery).

Germanium (Ge)

Germanium bylo jedním z prvních polovodičových materiálů používaných v tranzistorech, ale bylo z velké části nahrazeno křemíkem kvůli jeho menšímu zakázanému pásu a vyšší citlivosti na teplotu. Germanium se však stále používá v některých specializovaných aplikacích, jako jsou vysokofrekvenční zařízení a infračervené detektory.

Výhody germania:

• Vyšší pohyblivost elektronů a děr: Germanium má vyšší pohyblivost elektronů a děr než křemík, což ho činí vhodným pro vysokorychlostní zařízení.

Nevýhody germania:

• Menší zakázaný pás: Germanium má menší zakázaný pás než křemík, což vede k vyššímu svodovému proudu při pokojové teplotě.
• Vyšší cena: Germanium je dražší než křemík.
• Tepelná nestabilita: Méně stabilní než křemík při vyšších teplotách.

Arsenid gallitý (GaAs)

Arsenid gallitý je sloučeninový polovodič, který v určitých aplikacích nabízí lepší výkon ve srovnání s křemíkem. Má vyšší pohyblivost elektronů než křemík a přímý zakázaný pás, což ho činí vhodným pro vysokofrekvenční zařízení, optoelektronická zařízení (např. LED diody, lasery) a solární články.

Výhody arsenidu gallitého:

• Vysoká pohyblivost elektronů: GaAs má výrazně vyšší pohyblivost elektronů než křemík, což umožňuje rychlejší zařízení.
• Přímý zakázaný pás: GaAs má přímý zakázaný pás, což ho činí účinným pro optoelektronické aplikace.
• Poloizolační substráty: Substráty z GaAs mohou být vyrobeny jako poloizolační, což snižuje parazitní kapacitu ve vysokofrekvenčních obvodech.

Nevýhody arsenidu gallitého:

• Vyšší cena: GaAs je dražší než křemík.
• Nižší pohyblivost děr: GaAs má nižší pohyblivost děr než křemík.
• Křehkost: GaAs je křehčí a obtížněji se zpracovává než křemík.
• Toxicita: Arsen je toxický, což vyvolává obavy o životní prostředí a bezpečnost.

Další sloučeninové polovodiče

Kromě arsenidu gallitého se ve specializovaných aplikacích používají i další sloučeninové polovodiče. Mezi ně patří:

• Fosfid inditý (InP): Používá se ve vysokorychlostních optoelektronických zařízeních a vysokofrekvenčních obvodech.
• Nitrid gallitý (GaN): Používá se ve vysokovýkonových a vysokofrekvenčních zařízeních, stejně jako v LED diodách a laserech.
• Karbid křemíku (SiC): Používá se ve vysokovýkonových a vysokoteplotních zařízeních.
• Telurid kadmia a rtuti (HgCdTe): Používá se v infračervených detektorech.

Výrobní procesy polovodičů: Od waferu k čipu

Výroba polovodičů je složitý a mnohokrokový proces, který zahrnuje přeměnu polovodičového waferu na funkční integrovaný obvod. Hlavní kroky zahrnují:

Příprava waferu

Proces začíná růstem monokrystalického polovodičového ingotu, obvykle pomocí Czochralského metody nebo metody plovoucí zóny. Ingot je poté nařezán na tenké plátky (wafery), které jsou leštěny, aby se vytvořil hladký povrch bez defektů.

Fotolitografie

Fotolitografie je klíčový krok, při kterém jsou vzory přenášeny na wafer. Wafer je potažen fotorezistním materiálem, který je citlivý na světlo. Nad wafer je umístěna maska obsahující požadovaný vzor a wafer je vystaven ultrafialovému světlu. Osvětlené oblasti fotorezistu jsou buď odstraněny (pozitivní fotorezist), nebo zůstanou (negativní fotorezist), čímž se na waferu vytvoří vrstva se vzorem.

Leptání

Leptání se používá k odstranění materiálu z waferu v oblastech, které nejsou chráněny fotorezistem. Existují dva hlavní typy leptání: mokré leptání a suché leptání. Mokré leptání používá k odstranění materiálu chemické roztoky, zatímco suché leptání používá plazmu.

Dopování

Dopování je proces vnášení příměsí do polovodičového materiálu za účelem změny jeho elektrické vodivosti. Dva hlavní typy dopování jsou dopování typu N (vnášení prvků s více valenčními elektrony, jako je fosfor nebo arsen) a dopování typu P (vnášení prvků s méně valenčními elektrony, jako je bor nebo galium). Dopování se obvykle provádí pomocí iontové implantace nebo difúze.

Depozice tenkých vrstev

Depozice tenkých vrstev se používá k nanášení tenkých vrstev různých materiálů na wafer. Běžné techniky depozice zahrnují:

• Chemická depozice z plynné fáze (CVD): Na povrchu waferu probíhá chemická reakce, která nanáší tenkou vrstvu.
• Fyzikální depozice z plynné fáze (PVD): Materiál je odpařován nebo naprašován z terče a nanášen na wafer.
• Depozice atomárních vrstev (ALD): Tenká vrstva se nanáší vrstvu po vrstvě, což umožňuje přesnou kontrolu tloušťky a složení vrstvy.

Metalizace

Metalizace se používá k vytvoření elektrických spojů mezi různými částmi obvodu. Kovové vrstvy, obvykle hliník nebo měď, jsou nanášeny a strukturovány tak, aby vytvořily propojovací vodiče.

Testování a pouzdření

Po výrobě jsou wafery testovány, aby se zajistilo, že obvody fungují správně. Vadné obvody jsou vyřazeny. Funkční obvody jsou poté odděleny od waferu (řezání) a zapouzdřeny do jednotlivých čipů. Pouzdro chrání čip před okolním prostředím a poskytuje elektrické připojení k vnějšímu světu.

Klíčové polovodičové součástky

Diody

Dioda je dvoupólová elektronická součástka, která vede proud primárně v jednom směru. Diody se používají v různých aplikacích, jako jsou usměrňovače, regulátory napětí a spínače.

Tranzistory

Tranzistor je třípólová elektronická součástka, kterou lze použít jako spínač nebo zesilovač. Dva hlavní typy tranzistorů jsou:

• Bipolární tranzistory (BJT): BJT používají k vedení proudu jak elektrony, tak díry.
• Tranzistory řízené polem (FET): FET používají k řízení toku proudu elektrické pole. Nejběžnějším typem FET je tranzistor s izolovaným hradlem typu kov-oxid-polovodič (MOSFET).

MOSFETy jsou pracovními koňmi moderních digitálních obvodů. Používají se ve všem od mikroprocesorů po paměťové čipy.

Integrované obvody (IO)

Integrovaný obvod (IO), známý také jako mikročip nebo čip, je miniaturizovaný elektronický obvod obsahující mnoho součástek, jako jsou tranzistory, diody, rezistory a kondenzátory, vyrobený na jediném polovodičovém substrátu. IO umožňují vytváření složitých elektronických systémů v malém provedení.

Mooreův zákon a škálování

Mooreův zákon, který v roce 1965 navrhl Gordon Moore, říká, že počet tranzistorů na mikročipu se přibližně každé dva roky zdvojnásobí. To vedlo v posledních několika desetiletích k dramatickému nárůstu výkonu a schopností elektronických zařízení. Jak se však tranzistory zmenšují a zmenšují, je stále obtížnější udržet Mooreův zákon. Mezi výzvy patří:

• Kvantové efekty: Při velmi malých rozměrech se stávají významnými kvantové efekty a mohou ovlivnit výkon zařízení.
• Ztrátový výkon: S rostoucí hustotou tranzistorů se zvyšuje ztrátový výkon, což vede k problémům s přehříváním.
• Složitost výroby: Výroba menších tranzistorů vyžaduje složitější a dražší výrobní procesy.

Navzdory těmto výzvám vědci a inženýři neustále vyvíjejí nové materiály a výrobní techniky, aby pokračovali ve zmenšování velikosti tranzistorů a zlepšování výkonu zařízení.

Nové trendy v polovodičové technologii

Nové materiály

Vědci zkoumají nové materiály, které by nahradily nebo doplnily křemík v polovodičových zařízeních. Mezi ně patří:

• Dvojrozměrné materiály: Materiály jako grafen a disulfid molybdenu (MoS2) nabízejí jedinečné elektronické vlastnosti a mohou být použity k vytvoření ultratenkých tranzistorů a dalších zařízení.
• High-k dielektrika: Materiály s vyšší dielektrickou konstantou než oxid křemičitý se používají ke snížení svodového proudu v tranzistorech MOSFET.
• Polovodiče III-V: Sloučeninové polovodiče jako GaN a InP se používají ve vysokofrekvenčních a vysokovýkonových aplikacích.

3D integrace

3D integrace zahrnuje stohování více vrstev polovodičových zařízení na sebe za účelem zvýšení hustoty a výkonu integrovaných obvodů. Tato technologie nabízí několik výhod, včetně kratších délek propojení, nižší spotřeby energie a zvýšené šířky pásma.

Neuromorfní výpočetní technika

Neuromorfní výpočetní technika si klade za cíl napodobit strukturu a funkci lidského mozku a vytvořit tak efektivnější a výkonnější počítače. Tento přístup zahrnuje použití nových typů elektronických zařízení a architektur, které mohou provádět paralelní zpracování a učit se z dat.

Kvantové výpočty

Kvantové výpočty využívají kvantově-mechanické jevy, jako je superpozice a propletení, k provádění výpočtů, které jsou pro klasické počítače nemožné. Kvantové počítače mají potenciál revolučně změnit obory, jako je objevování léků, materiálová věda a kryptografie.

Globální polovodičový průmysl

Polovodičový průmysl je globální odvětví s hlavními hráči v různých zemích po celém světě. Klíčové regiony zahrnují:

• Spojené státy: Domov mnoha předních světových polovodičových společností, včetně Intel, AMD a Qualcomm.
• Tchaj-wan: Hlavní centrum pro výrobu polovodičů, kde společnosti jako TSMC a UMC dominují trhu se zakázkovou výrobou (foundry).
• Jižní Korea: Domov společností Samsung a SK Hynix, předních výrobců paměťových čipů a dalších polovodičových zařízení.
• Čína: Rychle rostoucí polovodičový trh s rostoucími investicemi do domácích výrobních kapacit.
• Japonsko: Domov společností jako Renesas Electronics a Toshiba, které se specializují na automobilové polovodiče a další elektronické součástky.
• Evropa: Se společnostmi jako Infineon a NXP se zaměřuje na automobilové, průmyslové a bezpečnostní aplikace.

Globální polovodičový průmysl je vysoce konkurenční, přičemž společnosti neustále inovují, aby vyvíjely nové materiály, zařízení a výrobní procesy. Vládní politiky, obchodní dohody a geopolitické faktory také hrají významnou roli při formování krajiny tohoto odvětví.

Budoucnost polovodičové technologie

Polovodičová technologie se neustále vyvíjí, poháněna neustále rostoucí poptávkou po rychlejších, menších a energeticky účinnějších elektronických zařízeních. Budoucnost polovodičové technologie bude pravděpodobně zahrnovat:

• Pokračující škálování: Vědci budou i nadále posouvat hranice miniaturizace a zkoumat nové materiály a výrobní techniky k vytváření menších a výkonnějších tranzistorů.
• Specializovanější zařízení: Polovodičová zařízení se budou stále více specializovat na konkrétní aplikace, jako je umělá inteligence, internet věcí (IoT) a automobilová elektronika.
• Větší integrace: 3D integrace a další pokročilé technologie pouzdření umožní vytváření složitějších a integrovanějších systémů.
• Udržitelná výroba: Zaměření na snižování dopadu na životní prostředí a podporu udržitelných výrobních postupů.

Porozuměním základním principům elektronických materiálů a polovodičové technologie mohou jednotlivci a organizace lépe čelit výzvám a příležitostem v tomto dynamickém a rychle se vyvíjejícím oboru.

Závěr

Polovodičová technologie je klíčovým faktorem moderní společnosti, který je základem nesčetných elektronických zařízení a systémů. Jak směřujeme ke stále digitálnějšímu světu, význam polovodičů bude jen nadále růst. Tento průvodce poskytl komplexní přehled elektronických materiálů se zaměřením na polovodičovou technologii, klíčové materiály, výrobní procesy a budoucí trendy. Porozuměním těmto základním konceptům mohou čtenáři získat hlubší ocenění složitosti a výzev polovodičového průmyslu a jeho dopadu na globální ekonomiku.