Elektroniska material: Halvledarteknik

Halvledarteknik utgör ryggraden i modern elektronik och underbygger allt från smartphones och datorer till medicinska apparater och fordonssystem. Att förstå materialen och processerna som ingår i halvledartillverkning är avgörande för alla som är involverade i elektronikindustrin, från ingenjörer och forskare till affärsmän och investerare. Den här omfattande guiden ger en djupdykning i elektroniska material med fokus på halvledarteknik och dess globala inverkan.

Vad är elektroniska material?

Elektroniska material är ämnen med elektriska egenskaper som gör dem lämpliga för användning i elektroniska apparater. Dessa material kan grovt delas in i ledare, isolatorer och halvledare.

Ledare, som koppar och aluminium, tillåter elektricitet att flöda lätt genom dem.
Isolatorer, som glas och keramik, motstår flödet av elektricitet.
Halvledare, som kisel och germanium, har konduktivitet mellan ledare och isolatorer. Deras konduktivitet kan styras av externa faktorer, vilket gör dem idealiska för att bygga transistorer och andra elektroniska komponenter.

Den här guiden fokuserar främst på halvledare, särskilt de som används vid tillverkning av integrerade kretsar (IC).

Halvledarmaterial: De viktigaste aktörerna

Kisel (Si)

Kisel är det överlägset mest använda halvledarmaterialet. Dess överflöd, relativt låga kostnad och väletablerade tillverkningsprocesser har gjort det till det dominerande materialet inom elektronikindustrin. Kisels förmåga att bilda en naturlig oxid (SiO2), som är en utmärkt isolator, är också en stor fördel.

Fördelar med kisel:

Överflöd: Kisel är det näst vanligaste grundämnet i jordskorpan.
Kostnadseffektivitet: Kiselbearbetningstekniken är mogen och relativt billig.
Utmärkt isolator: Kiseldioxid (SiO2) är en högkvalitativ isolator som används i MOSFET.
Termisk stabilitet: God termisk stabilitet vid typiska driftstemperaturer.

Nackdelar med kisel:

Lägre elektronrörlighet: Jämfört med andra halvledare har kisel en lägre elektronrörlighet, vilket begränsar hastigheten på enheter.
Indirekt bandgap: Kisel har ett indirekt bandgap, vilket gör det mindre effektivt för optoelektroniska applikationer (t.ex. lysdioder, lasrar).

Germanium (Ge)

Germanium var ett av de första halvledarmaterialen som användes i transistorer, men det har till stor del ersatts av kisel på grund av dess lägre bandgap och högre känslighet för temperatur. Germanium används dock fortfarande i vissa specialiserade applikationer, som t.ex. högfrekventa enheter och infraröda detektorer.

Fördelar med germanium:

Högre elektron- och hålrörlighet: Germanium har högre elektron- och hålrörlighet än kisel, vilket gör det lämpligt för höghastighetsenheter.

Nackdelar med germanium:

Lägre bandgap: Germanium har ett lägre bandgap än kisel, vilket leder till högre läckström vid rumstemperatur.
Högre kostnad: Germanium är dyrare än kisel.
Termisk instabilitet: Mindre stabilt än kisel vid högre temperaturer.

Galliumarsenid (GaAs)

Galliumarsenid är en sammansatt halvledare som erbjuder överlägsen prestanda jämfört med kisel i vissa applikationer. Det har en högre elektronrörlighet än kisel och ett direkt bandgap, vilket gör det lämpligt för högfrekventa enheter, optoelektroniska enheter (t.ex. lysdioder, lasrar) och solceller.

Fördelar med galliumarsenid:

Hög elektronrörlighet: GaAs har en betydligt högre elektronrörlighet än kisel, vilket möjliggör snabbare enheter.
Direkt bandgap: GaAs har ett direkt bandgap, vilket gör det effektivt för optoelektroniska applikationer.
Semi-isolerande substrat: GaAs-substrat kan göras semi-isolerande, vilket minskar parasitkapacitansen i högfrekventa kretsar.

Nackdelar med galliumarsenid:

Högre kostnad: GaAs är dyrare än kisel.
Lägre hålrörlighet: GaAs har en lägre hålrörlighet än kisel.
Skört: GaAs är skörare och svårare att bearbeta än kisel.
Giftighet: Arsenik är giftigt, vilket väcker miljö- och säkerhetsfrågor.

Andra sammansatta halvledare

Förutom galliumarsenid används andra sammansatta halvledare i specialiserade applikationer. Dessa inkluderar:

Indiumfosfid (InP): Används i höghastighets optoelektroniska enheter och högfrekventa kretsar.
Galliumnitrid (GaN): Används i högeffekts- och högfrekventa enheter, samt lysdioder och lasrar.
Kiselkarbid (SiC): Används i högeffekts- och högtemperaturenheter.
Kvicksilverkadmiumtellurid (HgCdTe): Används i infraröda detektorer.

Halvledartillverkningsprocesser: Från wafer till chip

Halvledartillverkning är en komplex process i flera steg som innebär att en halvledarwafer omvandlas till en funktionell integrerad krets. De viktigaste stegen inkluderar:

Waferförberedelse

Processen börjar med tillväxten av en enkelkristallhalvledarstång, vanligtvis med hjälp av Czochralski-processen eller flytzonprocessen. Stången skivas sedan i tunna wafers, som poleras för att skapa en jämn och defektfri yta.

Fotolitografi

Fotolitografi är ett avgörande steg där mönster överförs till wafern. Wafern beläggs med ett fotoresistmaterial som är känsligt för ljus. En mask som innehåller det önskade mönstret placeras över wafern och wafern exponeras för ultraviolett ljus. De exponerade områdena av fotoresistet avlägsnas antingen (positivt fotoresist) eller förblir (negativt fotoresist), vilket skapar ett mönstrat skikt på wafern.

Etsning

Etsning används för att avlägsna material från wafern i de områden som inte skyddas av fotoresistet. Det finns två huvudtyper av etsning: våtetsning och torretsning. Våtetsning använder kemiska lösningar för att avlägsna materialet, medan torretsning använder plasma för att avlägsna materialet.

Dopning

Dopning är processen att införa föroreningar i halvledarmaterialet för att ändra dess elektriska konduktivitet. De två huvudtyperna av dopning är n-typs dopning (införande av element med fler valenselektroner, som fosfor eller arsenik) och p-typs dopning (införande av element med färre valenselektroner, som bor eller gallium). Dopning uppnås vanligtvis genom jonimplantation eller diffusion.

Tunnfilmsavsättning

Tunnfilmsavsättning används för att deponera tunna lager av olika material på wafern. Vanliga avsättningstekniker inkluderar:

Kemisk ångdeponering (CVD): En kemisk reaktion sker på waferns yta och deponerar en tunn film.
Fysisk ångdeponering (PVD): Material avdunstas eller sprutas från ett mål och deponeras på wafern.
Atomlagerdeponering (ALD): En tunn film deponeras lager för lager, vilket möjliggör exakt kontroll av filmtjockleken och sammansättningen.

Metalliserisering

Metalliserisering används för att skapa elektriska anslutningar mellan olika delar av kretsen. Metallskikt, vanligtvis aluminium eller koppar, deponeras och mönstras för att bilda sammankopplingar.

Testning och paketering

Efter tillverkningen testas wafers för att säkerställa att kretsarna fungerar korrekt. Defekta kretsar kasseras. De funktionella kretsarna separeras sedan från wafern (sågning) och förpackas i enskilda chip. Förpackningen skyddar chipet från miljön och ger elektriska anslutningar till omvärlden.

Viktiga halvledarenheter

Dioder

En diod är en elektronisk komponent med två terminaler som leder ström främst i en riktning. Dioder används i olika applikationer, såsom likriktare, spänningsregulatorer och omkopplare.

Transistorer

En transistor är en elektronisk komponent med tre terminaler som kan användas som en omkopplare eller en förstärkare. De två huvudtyperna av transistorer är:

Bipolära övergångstransistorer (BJT): BJT använder både elektroner och hål för att leda ström.
Fälteffekttransistorer (FET): FET använder ett elektriskt fält för att styra strömflödet. Den vanligaste typen av FET är Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET).

MOSFET är arbetshästarna i moderna digitala kretsar. De används i allt från mikroprocessorer till minneschip.

Integrerade kretsar (IC)

En integrerad krets (IC), även känd som ett mikrochip eller chip, är en miniatyriserad elektronisk krets som innehåller många komponenter, såsom transistorer, dioder, resistorer och kondensatorer, tillverkade på ett enda halvledarsubstrat. IC möjliggör skapandet av komplexa elektroniska system i en liten formfaktor.

Moores lag och skalning

Moores lag, som föreslogs av Gordon Moore 1965, säger att antalet transistorer på ett mikrochip fördubblas ungefär vartannat år. Detta har lett till en dramatisk ökning av prestandan och kapaciteten hos elektroniska enheter under de senaste decennierna. Men i takt med att transistorer blir mindre och mindre blir det allt svårare att upprätthålla Moores lag. Utmaningarna inkluderar:

Kvantmekaniska effekter: Vid mycket små dimensioner blir kvantmekaniska effekter betydande och kan påverka enhetens prestanda.
Effektförbrukning: I takt med att transistorer blir tätare ökar effektförbrukningen, vilket leder till överhettningsproblem.
Tillverkningskomplexitet: Att tillverka mindre transistorer kräver mer komplexa och dyra tillverkningsprocesser.

Trots dessa utmaningar utvecklar forskare och ingenjörer ständigt nya material och tillverkningstekniker för att fortsätta skala ner transistorstorlekar och förbättra enhetens prestanda.

Framväxande trender inom halvledarteknik

Nya material

Forskare undersöker nya material för att ersätta eller komplettera kisel i halvledarenheter. Dessa inkluderar:

Tvådimensionella material: Material som grafen och molybdendisulfid (MoS2) erbjuder unika elektroniska egenskaper och kan användas för att skapa ultratunna transistorer och andra enheter.
Hög-k-dielektrika: Material med högre dielektriska konstanter än kiseldioxid används för att minska läckströmmen i MOSFET.
III-V-halvledare: Sammansatta halvledare som GaN och InP används i högfrekventa och högeffektapplikationer.

3D-integration

3D-integration innebär att man staplar flera lager av halvledarenheter ovanpå varandra för att öka tätheten och prestandan hos integrerade kretsar. Denna teknik erbjuder flera fördelar, inklusive kortare sammankopplingslängder, lägre strömförbrukning och ökad bandbredd.

Neuromorfisk databehandling

Neuromorfisk databehandling syftar till att efterlikna strukturen och funktionen hos den mänskliga hjärnan för att skapa effektivare och kraftfullare datorer. Detta tillvägagångssätt innebär att man använder nya typer av elektroniska enheter och arkitekturer som kan utföra parallell bearbetning och lära av data.

Kvantberäkning

Kvantberäkning använder kvantmekaniska fenomen, såsom superposition och sammanflätning, för att utföra beräkningar som är omöjliga för klassiska datorer. Kvantdatorer har potential att revolutionera områden som läkemedelsupptäckt, materialvetenskap och kryptografi.

Global halvledarindustri

Halvledarindustrin är en global industri med stora aktörer i olika länder runt om i världen. Viktiga regioner inkluderar:

USA: Hem till många av världens ledande halvledarföretag, inklusive Intel, AMD och Qualcomm.
Taiwan: Ett stort nav för halvledartillverkning, med företag som TSMC och UMC som dominerar gjuterimarknaden.
Sydkorea: Hem till Samsung och SK Hynix, ledande tillverkare av minneschip och andra halvledarenheter.
Kina: En snabbt växande halvledarmarknad med ökande investeringar i inhemsk tillverkningskapacitet.
Japan: Hem till företag som Renesas Electronics och Toshiba, som är specialiserade på halvledare för fordon och andra elektroniska komponenter.
Europa: Med företag som Infineon och NXP, fokuserar på applikationer inom fordon, industri och säkerhet.

Den globala halvledarindustrin är mycket konkurrenskraftig, med företag som ständigt förnyar sig för att utveckla nya material, enheter och tillverkningsprocesser. Regeringspolitik, handelsavtal och geopolitiska faktorer spelar också en viktig roll för att forma branschlandskapet.

Framtiden för halvledarteknik

Halvledartekniken utvecklas ständigt, driven av den ständigt ökande efterfrågan på snabbare, mindre och mer energieffektiva elektroniska enheter. Framtiden för halvledartekniken kommer sannolikt att involvera:

Fortsatt skalning: Forskare kommer att fortsätta att tänja på gränserna för miniatyrisering och utforska nya material och tillverkningstekniker för att skapa mindre och kraftfullare transistorer.
Mer specialiserade enheter: Halvledarenheter kommer att bli alltmer specialiserade för specifika applikationer, såsom artificiell intelligens, Internet of Things (IoT) och fordonselektronik.
Större integration: 3D-integration och andra avancerade förpackningstekniker kommer att möjliggöra skapandet av mer komplexa och integrerade system.
Hållbar tillverkning: Fokus på att minska miljöpåverkan och främja hållbara tillverkningsmetoder.

Genom att förstå de grundläggande principerna för elektroniska material och halvledarteknik kan individer och organisationer vara bättre positionerade för att navigera i utmaningarna och möjligheterna i detta dynamiska och snabbt utvecklande område.

Slutsats

Halvledartekniken är en kritisk möjliggörare för det moderna samhället och underbygger otaliga elektroniska enheter och system. När vi rör oss mot en alltmer digital värld kommer halvledarnas betydelse bara att fortsätta att växa. Den här guiden har gett en omfattande översikt över elektroniska material med fokus på halvledarteknik, nyckelmaterial, tillverkningsprocesser och framtida trender. Genom att förstå dessa grundläggande begrepp kan läsarna få en djupare förståelse för komplexiteten och utmaningarna i halvledarindustrin och dess inverkan på den globala ekonomin.