Электронные материалы: полупроводниковая технология

Полупроводниковая технология является основой современной электроники, лежащей в основе всего: от смартфонов и компьютеров до медицинских устройств и автомобильных систем. Понимание материалов и процессов, используемых при производстве полупроводников, имеет решающее значение для всех, кто работает в индустрии электроники, от инженеров и ученых до бизнес-профессионалов и инвесторов. Это всеобъемлющее руководство представляет собой глубокое погружение в электронные материалы, уделяя основное внимание полупроводниковой технологии и ее глобальному влиянию.

Что такое электронные материалы?

Электронные материалы — это вещества с электрическими свойствами, которые делают их пригодными для использования в электронных устройствах. Эти материалы можно условно разделить на проводники, изоляторы и полупроводники.

• Проводники, такие как медь и алюминий, позволяют электричеству легко протекать через них.
• Изоляторы, такие как стекло и керамика, препятствуют прохождению электричества.
• Полупроводники, такие как кремний и германий, обладают проводимостью между проводниками и изоляторами. Их проводимость можно контролировать внешними факторами, что делает их идеальными для создания транзисторов и других электронных компонентов.

Это руководство в основном посвящено полупроводникам, особенно тем, которые используются при изготовлении интегральных схем (ИС).

Полупроводниковые материалы: ключевые игроки

Кремний (Si)

Кремний является на сегодняшний день наиболее широко используемым полупроводниковым материалом. Его распространенность, относительно низкая стоимость и хорошо зарекомендовавшие себя процессы изготовления сделали его доминирующим материалом в электронной промышленности. Способность кремния образовывать собственный оксид (SiO2), который является отличным изолятором, также является важным преимуществом.

Преимущества кремния:

• Изобилие: Кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре.
• Экономичность: Технология обработки кремния является зрелой и относительно недорогой.
• Отличный изолятор: Диоксид кремния (SiO2) является высококачественным изолятором, используемым в MOSFET.
• Термическая стабильность: Хорошая термическая стабильность при типичных рабочих температурах.

Недостатки кремния:

• Меньшая подвижность электронов: По сравнению с другими полупроводниками кремний имеет меньшую подвижность электронов, что ограничивает скорость работы устройств.
• Непрямая ширина запрещенной зоны: Кремний имеет непрямую ширину запрещенной зоны, что делает его менее эффективным для оптоэлектронных применений (например, светодиодов, лазеров).

Германий (Ge)

Германий был одним из первых полупроводниковых материалов, используемых в транзисторах, но он был в основном заменен кремнием из-за его меньшей ширины запрещенной зоны и большей чувствительности к температуре. Однако германий до сих пор используется в некоторых специализированных областях, таких как высокочастотные устройства и инфракрасные детекторы.

Преимущества германия:

• Более высокая подвижность электронов и дырок: Германий имеет более высокую подвижность электронов и дырок, чем кремний, что делает его пригодным для высокоскоростных устройств.

Недостатки германия:

• Меньшая ширина запрещенной зоны: Германий имеет меньшую ширину запрещенной зоны, чем кремний, что приводит к большему току утечки при комнатной температуре.
• Более высокая стоимость: Германий дороже кремния.
• Термическая нестабильность: Менее стабилен, чем кремний, при более высоких температурах.

Арсенид галлия (GaAs)

Арсенид галлия — это составной полупроводник, который обеспечивает превосходные характеристики по сравнению с кремнием в определенных областях применения. Он имеет более высокую подвижность электронов, чем кремний, и прямую ширину запрещенной зоны, что делает его пригодным для высокочастотных устройств, оптоэлектронных устройств (например, светодиодов, лазеров) и солнечных элементов.

Преимущества арсенида галлия:

• Высокая подвижность электронов: GaAs имеет значительно более высокую подвижность электронов, чем кремний, что обеспечивает более быстрые устройства.
• Прямая ширина запрещенной зоны: GaAs имеет прямую ширину запрещенной зоны, что делает его эффективным для оптоэлектронных применений.
• Полуизолирующие подложки: Подложки GaAs могут быть полуизолирующими, что снижает паразитарную емкость в высокочастотных цепях.

Недостатки арсенида галлия:

• Более высокая стоимость: GaAs дороже кремния.
• Меньшая подвижность дырок: GaAs имеет меньшую подвижность дырок, чем кремний.
• Хрупкий: GaAs более хрупкий и сложнее обрабатывается, чем кремний.
• Токсичность: Мышьяк токсичен, что вызывает экологические проблемы и проблемы безопасности.

Другие составные полупроводники

Помимо арсенида галлия, другие составные полупроводники используются в специализированных областях применения. К ним относятся:

• Фосфид индия (InP): Используется в высокоскоростных оптоэлектронных устройствах и высокочастотных цепях.
• Нитрид галлия (GaN): Используется в мощных и высокочастотных устройствах, а также в светодиодах и лазерах.
• Карбид кремния (SiC): Используется в мощных и высокотемпературных устройствах.
• Теллурид ртути-кадмия (HgCdTe): Используется в инфракрасных детекторах.

Процессы изготовления полупроводников: от пластины к микросхеме

Изготовление полупроводников — это сложный и многоступенчатый процесс, который включает в себя преобразование полупроводниковой пластины в функциональную интегральную схему. Основные этапы включают:

Подготовка пластин

Процесс начинается с выращивания монокристаллического полупроводникового слитка, как правило, с использованием процесса Чохральского или процесса зонной плавки. Затем слиток нарезают на тонкие пластины, которые полируют для создания гладкой и бездефектной поверхности.

Фотолитография

Фотолитография — это решающий этап, на котором рисунки переносятся на пластину. Пластина покрывается фоторезистивным материалом, чувствительным к свету. Маска, содержащая желаемый рисунок, помещается над пластиной, и пластина подвергается воздействию ультрафиолетового света. Облученные участки фоторезиста либо удаляются (положительный фоторезист), либо остаются (отрицательный фоторезист), создавая рисунчатый слой на пластине.

Травление

Травление используется для удаления материала с пластины в областях, не защищенных фоторезистом. Существует два основных типа травления: влажное травление и сухое травление. Влажное травление использует химические растворы для удаления материала, в то время как сухое травление использует плазму для удаления материала.

Легирование

Легирование — это процесс введения примесей в полупроводниковый материал для изменения его электропроводности. Существует два основных типа легирования: легирование n-типа (введение элементов с большим количеством валентных электронов, таких как фосфор или мышьяк) и легирование p-типа (введение элементов с меньшим количеством валентных электронов, таких как бор или галлий). Легирование обычно осуществляется путем ионной имплантации или диффузии.

Осаждение тонких пленок

Осаждение тонких пленок используется для нанесения тонких слоев различных материалов на пластину. Распространенные методы осаждения включают:

• Химическое осаждение из паровой фазы (CVD): Химическая реакция происходит на поверхности пластины, осаждая тонкую пленку.
• Физическое осаждение из паровой фазы (PVD): Материал испаряется или распыляется с мишени и осаждается на пластину.
• Атомно-слоевое осаждение (ALD): Тонкая пленка осаждается слой за слоем, что позволяет точно контролировать толщину и состав пленки.

Металлизация

Металлизация используется для создания электрических соединений между различными частями схемы. Металлические слои, обычно алюминий или медь, осаждаются и формируются для образования межсоединений.

Тестирование и упаковка

После изготовления пластины тестируются, чтобы убедиться, что схемы работают правильно. Дефектные схемы отбраковываются. Затем рабочие схемы отделяются от пластины (резка) и упаковываются в отдельные микросхемы. Упаковка защищает микросхему от окружающей среды и обеспечивает электрические соединения с внешним миром.

Ключевые полупроводниковые приборы

Диоды

Диод — это двухполюсный электронный компонент, который проводит ток в основном в одном направлении. Диоды используются в различных областях, таких как выпрямители, регуляторы напряжения и переключатели.

Транзисторы

Транзистор — это трехполюсный электронный компонент, который может использоваться в качестве переключателя или усилителя. Существует два основных типа транзисторов:

• Биполярные транзисторы (BJT): BJT используют как электроны, так и дырки для проведения тока.
• Полевые транзисторы (FET): FET используют электрическое поле для управления потоком тока. Наиболее распространенным типом FET является полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET).

MOSFET являются рабочими лошадками современных цифровых схем. Они используются во всем: от микропроцессоров до микросхем памяти.

Интегральные схемы (ИС)

Интегральная схема (ИС), также известная как микросхема или чип, представляет собой миниатюрную электронную схему, содержащую множество компонентов, таких как транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы, изготовленных на единой полупроводниковой подложке. ИС позволяют создавать сложные электронные системы в небольшом форм-факторе.

Закон Мура и масштабирование

Закон Мура, предложенный Гордоном Муром в 1965 году, гласит, что количество транзисторов на микросхеме удваивается примерно каждые два года. Это привело к резкому увеличению производительности и возможностей электронных устройств за последние несколько десятилетий. Однако, поскольку транзисторы становятся все меньше и меньше, становится все труднее поддерживать закон Мура. Проблемы включают:

• Квантовые эффекты: При очень малых размерах квантовые эффекты становятся значительными и могут влиять на производительность устройства.
• Рассеивание мощности: По мере того, как транзисторы становятся плотнее, рассеивание мощности увеличивается, что приводит к проблемам с перегревом.
• Сложность изготовления: Изготовление меньших транзисторов требует более сложных и дорогостоящих производственных процессов.

Несмотря на эти проблемы, исследователи и инженеры постоянно разрабатывают новые материалы и методы изготовления, чтобы продолжать уменьшать размеры транзисторов и повышать производительность устройств.

Новые тенденции в полупроводниковой технологии

Новые материалы

Исследователи изучают новые материалы для замены или дополнения кремния в полупроводниковых устройствах. К ним относятся:

• Двумерные материалы: Такие материалы, как графен и дисульфид молибдена (MoS2), обладают уникальными электронными свойствами и могут использоваться для создания ультратонких транзисторов и других устройств.
• Диэлектрики с высоким k: Материалы с более высокими диэлектрическими константами, чем диоксид кремния, используются для уменьшения тока утечки в MOSFET.
• Полупроводники III-V: Составные полупроводники, такие как GaN и InP, используются в высокочастотных и мощных приложениях.

3D интеграция

3D-интеграция предполагает укладку нескольких слоев полупроводниковых устройств друг на друга для увеличения плотности и производительности интегральных схем. Эта технология предлагает несколько преимуществ, включая более короткие длины межсоединений, меньшее энергопотребление и увеличение пропускной способности.

Нейроморфные вычисления

Нейроморфные вычисления направлены на имитацию структуры и функции человеческого мозга для создания более эффективных и мощных компьютеров. Этот подход предполагает использование новых типов электронных устройств и архитектур, которые могут выполнять параллельную обработку и обучаться на данных.

Квантовые вычисления

Квантовые вычисления используют квантово-механические явления, такие как суперпозиция и запутанность, для выполнения вычислений, невозможных для классических компьютеров. Квантовые компьютеры могут произвести революцию в таких областях, как открытие лекарств, материаловедение и криптография.

Глобальная полупроводниковая промышленность

Полупроводниковая промышленность является глобальной, с основными игроками, расположенными в разных странах мира. Основные регионы включают:

• Соединенные Штаты: Дом для многих ведущих мировых полупроводниковых компаний, включая Intel, AMD и Qualcomm.
• Тайвань: Основной центр производства полупроводников, с такими компаниями, как TSMC и UMC, доминирующими на рынке литейного производства.
• Южная Корея: Дом для Samsung и SK Hynix, ведущих производителей микросхем памяти и других полупроводниковых устройств.
• Китай: Быстрорастущий рынок полупроводников с растущими инвестициями в отечественные производственные мощности.
• Япония: Дом для таких компаний, как Renesas Electronics и Toshiba, которые специализируются на автомобильных полупроводниках и других электронных компонентах.
• Европа: С такими компаниями, как Infineon и NXP, сосредоточена на автомобильных, промышленных приложениях и приложениях безопасности.

Глобальная полупроводниковая промышленность является высококонкурентной, и компании постоянно внедряют инновации для разработки новых материалов, устройств и производственных процессов. Государственная политика, торговые соглашения и геополитические факторы также играют важную роль в формировании отраслевого ландшафта.

Будущее полупроводниковой технологии

Полупроводниковая технология постоянно развивается, подпитываемая постоянно растущим спросом на более быстрые, меньшие по размеру и более энергоэффективные электронные устройства. Будущее полупроводниковой технологии, вероятно, будет включать:

• Продолжающееся масштабирование: Исследователи будут продолжать расширять пределы миниатюризации, изучая новые материалы и методы изготовления для создания меньших и более мощных транзисторов.
• Более специализированные устройства: Полупроводниковые устройства станут все более специализированными для конкретных применений, таких как искусственный интеллект, Интернет вещей (IoT) и автомобильная электроника.
• Большая интеграция: 3D-интеграция и другие передовые технологии упаковки позволят создавать более сложные и интегрированные системы.
• Устойчивое производство: Упор на снижение воздействия на окружающую среду и продвижение устойчивых производственных практик.

Понимая основные принципы электронных материалов и полупроводниковой технологии, отдельные лица и организации могут лучше ориентироваться в вызовах и возможностях этой динамично развивающейся области.

Заключение

Полупроводниковая технология является важнейшим фактором современной жизни, лежащим в основе бесчисленного множества электронных устройств и систем. По мере того, как мы движемся к все более цифровому миру, значение полупроводников будет только расти. В этом руководстве представлен всесторонний обзор электронных материалов, уделяющий основное внимание полупроводниковой технологии, ключевым материалам, процессам изготовления и будущим тенденциям. Понимая эти фундаментальные концепции, читатели могут глубже оценить сложности и проблемы полупроводниковой промышленности и ее влияние на мировую экономику.