Elektronické materiály: Polovodičová technológia

Polovodičová technológia tvorí základ modernej elektroniky, ktorá je základom všetkého od smartfónov a počítačov až po medicínske prístroje a automobilové systémy. Pochopenie materiálov a procesov zapojených do výroby polovodičov je kľúčové pre kohokoľvek v elektronickom priemysle, od inžinierov a vedcov až po obchodných profesionálov a investorov. Táto komplexná príručka poskytuje hĺbkový pohľad na elektronické materiály so zameraním na polovodičovú technológiu a jej globálny dopad.

Čo sú elektronické materiály?

Elektronické materiály sú látky s elektrickými vlastnosťami, ktoré ich robia vhodnými na použitie v elektronických zariadeniach. Tieto materiály možno vo všeobecnosti rozdeliť na vodiče, izolanty a polovodiče.

• Vodiče, ako napríklad meď a hliník, umožňujú ľahký prechod elektrického prúdu.
• Izolanty, ako napríklad sklo a keramika, bránia prechodu elektrického prúdu.
• Polovodiče, ako napríklad kremík a germánium, majú vodivosť medzi vodivosťou vodičov a izolantov. Ich vodivosť je možné riadiť externými faktormi, čo ich robí ideálnymi pre stavbu tranzistorov a iných elektronických súčiastok.

Táto príručka sa zameriava predovšetkým na polovodiče, najmä tie, ktoré sa používajú pri výrobe integrovaných obvodov (IC).

Polovodičové materiály: Kľúčoví hráči

Kremík (Si)

Kremík je zďaleka najpoužívanejším polovodičovým materiálom. Jeho hojný výskyt, relatívne nízke náklady a dobre zavedené výrobné procesy z neho urobili dominantný materiál v elektronickom priemysle. Schopnosť kremíka tvoriť prirodzený oxid (SiO2), ktorý je vynikajúcim izolantom, je tiež veľkou výhodou.

Výhody kremíka:

• Hojný výskyt: Kremík je druhým najhojnejším prvkom v zemskej kôre.
• Nákladová efektívnosť: Technológia spracovania kremíka je vyspelá a relatívne lacná.
• Vynikajúci izolant: Oxid kremičitý (SiO2) je vysokokvalitný izolant používaný v tranzistoroch MOSFET.
• Tepelná stabilita: Dobrá tepelná stabilita pri typických prevádzkových teplotách.

Nevýhody kremíka:

• Nižšia pohyblivosť elektrónov: V porovnaní s inými polovodičmi má kremík nižšiu pohyblivosť elektrónov, čo obmedzuje rýchlosť zariadení.
• Nepriama zakázaná zóna: Kremík má nepriamu zakázanú zónu, čo ho robí menej účinným pre optoelektronické aplikácie (napr. LED, lasery).

Germánium (Ge)

Germánium bolo jedným z prvých polovodičových materiálov používaných v tranzistoroch, ale bolo z veľkej časti nahradené kremíkom kvôli jeho nižšej zakázanej zóne a vyššej citlivosti na teplotu. Germánium sa však stále používa v niektorých špecializovaných aplikáciách, ako sú vysokofrekvenčné zariadenia a infračervené detektory.

Výhody germánia:

• Vyššia pohyblivosť elektrónov a dier: Germánium má vyššiu pohyblivosť elektrónov a dier ako kremík, čo ho robí vhodným pre vysokorýchlostné zariadenia.

Nevýhody germánia:

• Nižšia zakázaná zóna: Germánium má nižšiu zakázanú zónu ako kremík, čo vedie k vyššiemu zvodovému prúdu pri izbovej teplote.
• Vyššie náklady: Germánium je drahšie ako kremík.
• Tepelná nestabilita: Menej stabilné ako kremík pri vyšších teplotách.

Arzenid gália (GaAs)

Arzenid gália je zlúčeninový polovodič, ktorý v určitých aplikáciách ponúka lepší výkon v porovnaní s kremíkom. Má vyššiu pohyblivosť elektrónov ako kremík a priamu zakázanú zónu, čo ho robí vhodným pre vysokofrekvenčné zariadenia, optoelektronické zariadenia (napr. LED, lasery) a solárne články.

Výhody arzenidu gália:

• Vysoká pohyblivosť elektrónov: GaAs má výrazne vyššiu pohyblivosť elektrónov ako kremík, čo umožňuje rýchlejšie zariadenia.
• Priama zakázaná zóna: GaAs má priamu zakázanú zónu, čo ho robí účinným pre optoelektronické aplikácie.
• Poloizolačné substráty: Substráty z GaAs môžu byť vyrobené ako poloizolačné, čím sa znižuje parazitná kapacita vo vysokofrekvenčných obvodoch.

Nevýhody arzenidu gália:

• Vyššie náklady: GaAs je drahší ako kremík.
• Nižšia pohyblivosť dier: GaAs má nižšiu pohyblivosť dier ako kremík.
• Krehkosť: GaAs je krehkejší a ťažšie spracovateľný ako kremík.
• Toxicita: Arzén je toxický, čo vyvoláva obavy o životné prostredie a bezpečnosť.

Ostatné zlúčeninové polovodiče

Okrem arzenidu gália sa v špecializovaných aplikáciách používajú aj iné zlúčeninové polovodiče. Medzi ne patria:

• Fosfid india (InP): Používa sa vo vysokorýchlostných optoelektronických zariadeniach a vysokofrekvenčných obvodoch.
• Nitrid gália (GaN): Používa sa vo vysokovýkonných a vysokofrekvenčných zariadeniach, ako aj v LED diódach a laseroch.
• Karbid kremíka (SiC): Používa sa vo vysokovýkonných a vysokoteplotných zariadeniach.
• Telurid ortuťnatokadmičitý (HgCdTe): Používa sa v infračervených detektoroch.

Procesy výroby polovodičov: Od waferu k čipu

Výroba polovodičov je zložitý a viacstupňový proces, ktorý zahŕňa transformáciu polovodičového waferu na funkčný integrovaný obvod. Hlavné kroky zahŕňajú:

Príprava waferu

Proces začína rastom monokryštalického polovodičového ingotu, zvyčajne pomocou Czochralského metódy alebo metódy plávajúcej zóny. Ingot sa potom reže na tenké plátky (wafery), ktoré sa leštia, aby sa vytvoril hladký povrch bez defektov.

Fotolitografia

Fotolitografia je kľúčový krok, pri ktorom sa na wafer prenášajú vzory. Wafer sa potrie fotorezistným materiálom, ktorý je citlivý na svetlo. Nad wafer sa umiestni maska obsahujúca požadovaný vzor a wafer sa vystaví ultrafialovému svetlu. Osvetlené oblasti fotorezistu sa buď odstránia (pozitívny fotorezist), alebo zostanú (negatívny fotorezist), čím sa na waferi vytvorí vzorovaná vrstva.

Leptanie

Leptanie sa používa na odstránenie materiálu z waferu v oblastiach, ktoré nie sú chránené fotorezistom. Existujú dva hlavné typy leptania: mokré leptanie a suché leptanie. Mokré leptanie používa na odstránenie materiálu chemické roztoky, zatiaľ čo suché leptanie používa na odstránenie materiálu plazmu.

Dopovanie

Dopovanie je proces vnášania nečistôt do polovodičového materiálu s cieľom zmeniť jeho elektrickú vodivosť. Dva hlavné typy dopovania sú dopovanie typu n (vnášanie prvkov s viacerými valenčnými elektrónmi, ako je fosfor alebo arzén) a dopovanie typu p (vnášanie prvkov s menším počtom valenčných elektrónov, ako je bór alebo gálium). Dopovanie sa zvyčajne dosahuje iónovou implantáciou alebo difúziou.

Nanášanie tenkých vrstiev

Nanášanie tenkých vrstiev sa používa na nanášanie tenkých vrstiev rôznych materiálov na wafer. Bežné techniky nanášania zahŕňajú:

• Chemická depozícia z plynnej fázy (CVD): Na povrchu waferu dochádza k chemickej reakcii, pri ktorej sa nanáša tenká vrstva.
• Fyzikálna depozícia z plynnej fázy (PVD): Materiál sa odparuje alebo naprašuje z terča a nanáša sa na wafer.
• Depozícia atómových vrstiev (ALD): Tenká vrstva sa nanáša vrstvu po vrstve, čo umožňuje presnú kontrolu hrúbky a zloženia filmu.

Metalizácia

Metalizácia sa používa na vytvorenie elektrických spojení medzi rôznymi časťami obvodu. Kovové vrstvy, zvyčajne hliník alebo meď, sa nanášajú a vzorujú, aby vytvorili prepojenia.

Testovanie a puzdrenie

Po výrobe sa wafery testujú, aby sa zabezpečilo, že obvody fungujú správne. Chybné obvody sa vyradia. Funkčné obvody sa potom oddelia od waferu (rezanie) a zapuzdria do jednotlivých čipov. Puzdro chráni čip pred prostredím a poskytuje elektrické pripojenia k vonkajšiemu svetu.

Kľúčové polovodičové súčiastky

Diódy

Dióda je dvojvývodová elektronická súčiastka, ktorá vedie prúd primárne v jednom smere. Diódy sa používajú v rôznych aplikáciách, ako sú usmerňovače, regulátory napätia a spínače.

Tranzistory

Tranzistor je trojvývodová elektronická súčiastka, ktorá môže byť použitá ako spínač alebo zosilňovač. Dva hlavné typy tranzistorov sú:

• Bipolárne tranzistory (BJT): BJT používajú na vedenie prúdu elektróny aj diery.
• Tranzistory riadené poľom (FET): FET používajú elektrické pole na riadenie toku prúdu. Najbežnejším typom FET je tranzistor s izolovaným hradlom typu kov-oxid-polovodič (MOSFET).

MOSFETy sú ťažnými koňmi moderných digitálnych obvodov. Používajú sa vo všetkom od mikroprocesorov po pamäťové čipy.

Integrované obvody (IC)

Integrovaný obvod (IC), známy aj ako mikročip alebo čip, je miniaturizovaný elektronický obvod obsahujúci mnoho komponentov, ako sú tranzistory, diódy, rezistory a kondenzátory, vyrobený na jedinom polovodičovom substráte. IC umožňujú vytváranie zložitých elektronických systémov v malom formáte.

Moorov zákon a škálovanie

Moorov zákon, ktorý navrhol Gordon Moore v roku 1965, hovorí, že počet tranzistorov na mikročipe sa zdvojnásobí približne každé dva roky. To viedlo k dramatickému nárastu výkonu a schopností elektronických zariadení za posledných niekoľko desaťročí. Ako sa však tranzistory stávajú menšími a menšími, je čoraz ťažšie udržať Moorov zákon. Výzvy zahŕňajú:

• Kvantové efekty: Pri veľmi malých rozmeroch sa kvantové efekty stávajú významnými a môžu ovplyvniť výkon zariadenia.
• Stratový výkon: S rastúcou hustotou tranzistorov sa zvyšuje stratový výkon, čo vedie k problémom s prehrievaním.
• Zložitosť výroby: Výroba menších tranzistorov si vyžaduje zložitejšie a drahšie výrobné procesy.

Napriek týmto výzvam výskumníci a inžinieri neustále vyvíjajú nové materiály a výrobné techniky, aby pokračovali v zmenšovaní veľkosti tranzistorov a zlepšovaní výkonu zariadení.

Nové trendy v polovodičovej technológii

Nové materiály

Výskumníci skúmajú nové materiály, ktoré by nahradili alebo doplnili kremík v polovodičových zariadeniach. Medzi ne patria:

• Dvojrozmerné materiály: Materiály ako grafén a disulfid molybdénu (MoS2) ponúkajú jedinečné elektronické vlastnosti a môžu sa použiť na vytvorenie ultratenkých tranzistorov a iných zariadení.
• Dielektriká s vysokou permitivitou (high-k): Materiály s vyššími dielektrickými konštantami ako oxid kremičitý sa používajú na zníženie zvodového prúdu v tranzistoroch MOSFET.
• Polovodiče III-V: Zlúčeninové polovodiče ako GaN a InP sa používajú vo vysokofrekvenčných a vysokovýkonných aplikáciách.

3D integrácia

3D integrácia zahŕňa vrstvenie viacerých vrstiev polovodičových zariadení na seba s cieľom zvýšiť hustotu a výkon integrovaných obvodov. Táto technológia ponúka niekoľko výhod, vrátane kratších dĺžok prepojení, nižšej spotreby energie a zvýšenej šírky pásma.

Neuromorfné počítanie

Neuromorfné počítanie sa snaží napodobniť štruktúru a funkciu ľudského mozgu s cieľom vytvoriť efektívnejšie a výkonnejšie počítače. Tento prístup zahŕňa použitie nových typov elektronických zariadení a architektúr, ktoré dokážu vykonávať paralelné spracovanie a učiť sa z dát.

Kvantové počítanie

Kvantové počítanie využíva kvantovo-mechanické javy, ako sú superpozícia a previazanosť, na vykonávanie výpočtov, ktoré sú pre klasické počítače nemožné. Kvantové počítače majú potenciál revolučne zmeniť oblasti ako objavovanie liekov, materiálová veda a kryptografia.

Globálny polovodičový priemysel

Polovodičový priemysel je globálny priemysel s hlavnými hráčmi v rôznych krajinách po celom svete. Kľúčové regióny zahŕňajú:

• Spojené štáty: Sídlo mnohých popredných svetových polovodičových spoločností, vrátane Intel, AMD a Qualcomm.
• Taiwan: Hlavné centrum pre výrobu polovodičov, kde spoločnosti ako TSMC a UMC dominujú na trhu zlievarní.
• Južná Kórea: Sídlo spoločností Samsung a SK Hynix, popredných výrobcov pamäťových čipov a iných polovodičových zariadení.
• Čína: Rýchlo rastúci trh s polovodičmi s rastúcimi investíciami do domácich výrobných kapacít.
• Japonsko: Sídlo spoločností ako Renesas Electronics a Toshiba, ktoré sa špecializujú na automobilové polovodiče a iné elektronické komponenty.
• Európa: So spoločnosťami ako Infineon a NXP sa zameriava na automobilové, priemyselné a bezpečnostné aplikácie.

Globálny polovodičový priemysel je vysoko konkurenčný, pričom spoločnosti neustále inovujú s cieľom vyvíjať nové materiály, zariadenia a výrobné procesy. Vládne politiky, obchodné dohody a geopolitické faktory tiež zohrávajú významnú úlohu pri formovaní priemyselnej krajiny.

Budúcnosť polovodičovej technológie

Polovodičová technológia sa neustále vyvíja, poháňaná neustále rastúcim dopytom po rýchlejších, menších a energeticky úspornejších elektronických zariadeniach. Budúcnosť polovodičovej technológie bude pravdepodobne zahŕňať:

• Pokračujúce škálovanie: Výskumníci budú naďalej posúvať hranice miniaturizácie, skúmať nové materiály a výrobné techniky na vytváranie menších a výkonnejších tranzistorov.
• Špecializovanejšie zariadenia: Polovodičové zariadenia sa budú čoraz viac špecializovať na konkrétne aplikácie, ako je umelá inteligencia, internet vecí (IoT) a automobilová elektronika.
• Väčšia integrácia: 3D integrácia a ďalšie pokročilé technológie puzdrenia umožnia vytváranie zložitejších a integrovanejších systémov.
• Udržateľná výroba: Zameranie sa na zníženie dopadu na životné prostredie a podporu udržateľných výrobných postupov.

Pochopením základných princípov elektronických materiálov a polovodičovej technológie môžu byť jednotlivci a organizácie lepšie pripravení na zvládanie výziev a príležitostí tejto dynamickej a rýchlo sa vyvíjajúcej oblasti.

Záver

Polovodičová technológia je kľúčovým faktorom modernej spoločnosti, ktorý je základom nespočetných elektronických zariadení a systémov. Ako sa posúvame smerom k čoraz digitálnejšiemu svetu, význam polovodičov bude naďalej rásť. Táto príručka poskytla komplexný prehľad elektronických materiálov so zameraním na polovodičovú technológiu, kľúčové materiály, výrobné procesy a budúce trendy. Pochopením týchto základných konceptov môžu čitatelia získať hlbšie ocenenie zložitosti a výziev polovodičového priemyslu a jeho vplyvu na globálnu ekonomiku.