Електронні матеріали: Напівпровідникова технологія

Напівпровідникова технологія є основою сучасної електроніки, що лежить в основі всього: від смартфонів і комп'ютерів до медичних пристроїв і автомобільних систем. Розуміння матеріалів і процесів, залучених у виробництво напівпровідників, має вирішальне значення для будь-кого, хто займається електронною промисловістю, від інженерів і вчених до бізнес-професіоналів та інвесторів. Цей вичерпний посібник надає глибоке занурення в електронні матеріали, зосереджуючись на напівпровідниковій технології та її глобальному впливі.

Що таке електронні матеріали?

Електронні матеріали – це речовини з електричними властивостями, які роблять їх придатними для використання в електронних пристроях. Ці матеріали можна широко класифікувати на провідники, ізолятори та напівпровідники.

• Провідники, такі як мідь і алюміній, дозволяють електриці легко протікати через них.
• Ізолятори, такі як скло та кераміка, чинять опір протіканню електрики.
• Напівпровідники, такі як кремній і германій, мають провідність між провідниками та ізоляторами. Їх провідність можна контролювати зовнішніми факторами, що робить їх ідеальними для створення транзисторів та інших електронних компонентів.

Цей посібник зосереджується насамперед на напівпровідниках, особливо на тих, що використовуються у виробництві інтегральних схем (ІС).

Напівпровідникові матеріали: Ключові гравці

Кремній (Si)

Кремній, безумовно, є найбільш широко використовуваним напівпровідниковим матеріалом. Його велика кількість, відносно низька вартість і добре налагоджені процеси виготовлення зробили його домінуючим матеріалом в електронній промисловості. Здатність кремнію утворювати власний оксид (SiO2), який є чудовим ізолятором, також є великою перевагою.

Переваги кремнію:

• Велика кількість: Кремній є другим за поширеністю елементом у земній корі.
• Економічність: Технологія обробки кремнію є зрілою та відносно недорогою.
• Відмінний ізолятор: Діоксид кремнію (SiO2) є високоякісним ізолятором, що використовується в MOSFET.
• Термічна стабільність: Хороша термічна стабільність при типових робочих температурах.

Недоліки кремнію:

• Нижча рухливість електронів: Порівняно з іншими напівпровідниками, кремній має нижчу рухливість електронів, що обмежує швидкість пристроїв.
• Непряма ширина забороненої зони: Кремній має непряму ширину забороненої зони, що робить його менш ефективним для оптоелектронних застосувань (наприклад, світлодіодів, лазерів).

Германій (Ge)

Германій був одним з перших напівпровідникових матеріалів, що використовувалися в транзисторах, але він був значною мірою замінений кремнієм через його меншу ширину забороненої зони та вищу чутливість до температури. Однак германій все ще використовується в деяких спеціалізованих застосуваннях, таких як високочастотні пристрої та інфрачервоні детектори.

Переваги германію:

• Вища рухливість електронів і дірок: Германій має вищу рухливість електронів і дірок, ніж кремній, що робить його придатним для високошвидкісних пристроїв.

Недоліки германію:

• Нижча ширина забороненої зони: Германій має меншу ширину забороненої зони, ніж кремній, що призводить до вищого струму витоку при кімнатній температурі.
• Вища вартість: Германій дорожчий за кремній.
• Термічна нестабільність: Менш стабільний, ніж кремній, при вищих температурах.

Арсенід галію (GaAs)

Арсенід галію є складним напівпровідником, який пропонує чудову продуктивність порівняно з кремнієм у певних застосуваннях. Він має вищу рухливість електронів, ніж кремній, і пряму ширину забороненої зони, що робить його придатним для високочастотних пристроїв, оптоелектронних пристроїв (наприклад, світлодіодів, лазерів) і сонячних елементів.

Переваги арсеніду галію:

• Висока рухливість електронів: GaAs має значно вищу рухливість електронів, ніж кремній, що забезпечує швидші пристрої.
• Пряма ширина забороненої зони: GaAs має пряму ширину забороненої зони, що робить його ефективним для оптоелектронних застосувань.
• Напівізолюючі підкладки: Підкладки GaAs можна зробити напівізолюючими, зменшуючи паразитну ємність у високочастотних схемах.

Недоліки арсеніду галію:

• Вища вартість: GaAs дорожчий за кремній.
• Нижча рухливість дірок: GaAs має нижчу рухливість дірок, ніж кремній.
• Крихкість: GaAs більш крихкий і його важче обробляти, ніж кремній.
• Токсичність: Миш'як є токсичним, що викликає екологічні проблеми та проблеми безпеки.

Інші складні напівпровідники

Крім арсеніду галію, інші складні напівпровідники використовуються в спеціалізованих застосуваннях. До них належать:

• Фосфід індію (InP): Використовується у високошвидкісних оптоелектронних пристроях і високочастотних схемах.
• Нітрид галію (GaN): Використовується у високовольтних і високочастотних пристроях, а також у світлодіодах і лазерах.
• Карбід кремнію (SiC): Використовується у високовольтних і високотемпературних пристроях.
• Телурид кадмію ртуті (HgCdTe): Використовується в інфрачервоних детекторах.

Процеси виготовлення напівпровідників: Від пластини до чипа

Виготовлення напівпровідників – це складний і багатоетапний процес, який передбачає перетворення напівпровідникової пластини на функціональну інтегральну схему. Основні етапи включають:

Підготовка пластини

Процес починається з вирощування монокристалічного напівпровідникового злитка, як правило, за допомогою процесу Чохральського або процесу зонної плавки. Потім злиток нарізають на тонкі пластини, які полірують для створення гладкої та бездефектної поверхні.

Фотолітографія

Фотолітографія є вирішальним етапом, на якому візерунки переносяться на пластину. Пластину покривають фоторезистивним матеріалом, який чутливий до світла. Маска, що містить потрібний візерунок, розміщується над пластиною, і пластина піддається впливу ультрафіолетового світла. Відкриті ділянки фоторезисту або видаляються (позитивний фоторезист), або залишаються (негативний фоторезист), створюючи візерунчастий шар на пластині.

Травлення

Травлення використовується для видалення матеріалу з пластини в областях, не захищених фоторезистом. Існує два основних типи травлення: мокре травлення та сухе травлення. Мокре травлення використовує хімічні розчини для видалення матеріалу, тоді як сухе травлення використовує плазму для видалення матеріалу.

Легування

Легування – це процес введення домішок у напівпровідниковий матеріал для зміни його електричної провідності. Двома основними типами легування є легування n-типу (введення елементів з більшою кількістю валентних електронів, таких як фосфор або миш'як) і легування p-типу (введення елементів з меншою кількістю валентних електронів, таких як бор або галій). Легування зазвичай досягається за допомогою іонної імплантації або дифузії.

Нанесення тонких плівок

Нанесення тонких плівок використовується для нанесення тонких шарів різних матеріалів на пластину. Загальні методи нанесення включають:

• Хімічне осадження з парової фази (CVD): Хімічна реакція відбувається на поверхні пластини, осаджуючи тонку плівку.
• Фізичне осадження з парової фази (PVD): Матеріал випаровується або розпилюється з мішені та осаджується на пластину.
• Атомно-шарове осадження (ALD): Тонка плівка осаджується шар за шаром, що дозволяє точно контролювати товщину та склад плівки.

Металізація

Металізація використовується для створення електричних з'єднань між різними частинами схеми. Металеві шари, як правило, алюміній або мідь, осаджуються та структурують для формування міжз'єднань.

Тестування та пакування

Після виготовлення пластини тестуються, щоб переконатися, що схеми функціонують правильно. Дефектні схеми відкидаються. Функціональні схеми потім відокремлюються від пластини (різання) і пакуються в окремі чипи. Упаковка захищає чип від навколишнього середовища та забезпечує електричні з'єднання із зовнішнім світом.

Ключові напівпровідникові пристрої

Діоди

Діод – це двоелементний електронний компонент, який проводить струм переважно в одному напрямку. Діоди використовуються в різних застосуваннях, таких як випрямлячі, регулятори напруги та перемикачі.

Транзистори

Транзистор – це трьохелементний електронний компонент, який можна використовувати як перемикач або підсилювач. Двома основними типами транзисторів є:

• Біполярні транзистори (BJT): BJT використовують як електрони, так і дірки для проведення струму.
• Польові транзистори (FET): FET використовують електричне поле для контролю потоку струму. Найбільш поширеним типом FET є польовий транзистор метал-оксид-напівпровідник (MOSFET).

MOSFET є робочими конячками сучасних цифрових схем. Вони використовуються у всьому, від мікропроцесорів до чипів пам'яті.

Інтегральні схеми (ІС)

Інтегральна схема (ІС), також відома як мікрочип або чип, – це мініатюрна електронна схема, що містить багато компонентів, таких як транзистори, діоди, резистори та конденсатори, виготовлені на одній напівпровідниковій підкладці. ІС дозволяють створювати складні електронні системи в невеликому форм-факторі.

Закон Мура та масштабування

Закон Мура, запропонований Гордоном Муром у 1965 році, стверджує, що кількість транзисторів на мікрочипі подвоюється приблизно кожні два роки. Це призвело до значного збільшення продуктивності та можливостей електронних пристроїв за останні кілька десятиліть. Однак, оскільки транзистори стають дедалі меншими, стає дедалі важче підтримувати закон Мура. Проблеми включають:

• Квантові ефекти: При дуже малих розмірах квантові ефекти стають значними та можуть впливати на продуктивність пристрою.
• Розсіювання потужності: Оскільки транзистори стають щільнішими, розсіювання потужності збільшується, що призводить до проблем з перегріванням.
• Складність виготовлення: Виготовлення менших транзисторів вимагає складніших і дорожчих виробничих процесів.

Незважаючи на ці виклики, дослідники та інженери постійно розробляють нові матеріали та методи виготовлення, щоб продовжувати зменшувати розміри транзисторів і покращувати продуктивність пристроїв.

Нові тенденції в напівпровідниковій технології

Нові матеріали

Дослідники вивчають нові матеріали для заміни або доповнення кремнію в напівпровідникових пристроях. До них належать:

• Двовимірні матеріали: Матеріали, такі як графен і дисульфід молібдену (MoS2), пропонують унікальні електронні властивості та можуть використовуватися для створення ультратонких транзисторів та інших пристроїв.
• Діелектрики з високим k: Матеріали з вищими діелектричними проникностями, ніж діоксид кремнію, використовуються для зменшення струму витоку в MOSFET.
• Напівпровідники III-V групи: Складні напівпровідники, такі як GaN і InP, використовуються у високочастотних і високовольтних застосуваннях.

3D-інтеграція

3D-інтеграція передбачає складання кількох шарів напівпровідникових пристроїв один на одного для збільшення щільності та продуктивності інтегральних схем. Ця технологія пропонує кілька переваг, включаючи коротші довжини міжз'єднань, менше споживання енергії та збільшену пропускну здатність.

Нейроморфні обчислення

Нейроморфні обчислення спрямовані на імітацію структури та функції людського мозку для створення більш ефективних і потужних комп'ютерів. Цей підхід передбачає використання нових типів електронних пристроїв і архітектур, які можуть виконувати паралельну обробку та навчатися на даних.

Квантові обчислення

Квантові обчислення використовують квантово-механічні явища, такі як суперпозиція та заплутаність, для виконання обчислень, які неможливі для класичних комп'ютерів. Квантові комп'ютери мають потенціал для революції в таких галузях, як відкриття ліків, матеріалознавство та криптографія.

Глобальна напівпровідникова промисловість

Напівпровідникова промисловість – це глобальна галузь, основні гравці якої розташовані в різних країнах світу. Ключові регіони включають:

• Сполучені Штати: Тут розташовані багато провідних світових напівпровідникових компаній, включаючи Intel, AMD і Qualcomm.
• Тайвань: Великий центр виробництва напівпровідників, де такі компанії, як TSMC і UMC, домінують на ринку ливарного виробництва.
• Південна Корея: Тут розташовані Samsung і SK Hynix, провідні виробники чипів пам'яті та інших напівпровідникових пристроїв.
• Китай: Напівпровідниковий ринок, що швидко зростає, зі збільшенням інвестицій у внутрішні виробничі можливості.
• Японія: Тут розташовані такі компанії, як Renesas Electronics і Toshiba, які спеціалізуються на автомобільних напівпровідниках та інших електронних компонентах.
• Європа: Компанії, такі як Infineon і NXP, зосереджуються на автомобільних, промислових і безпекових додатках.

Глобальна напівпровідникова промисловість є висококонкурентною, і компанії постійно впроваджують інновації для розробки нових матеріалів, пристроїв і виробничих процесів. Державна політика, торгові угоди та геополітичні фактори також відіграють значну роль у формуванні ландшафту галузі.

Майбутнє напівпровідникової технології

Напівпровідникова технологія постійно розвивається, керуючись постійно зростаючим попитом на швидші, менші та енергоефективніші електронні пристрої. Майбутнє напівпровідникової технології, ймовірно, включатиме:

• Продовження масштабування: Дослідники продовжуватимуть розширювати межі мініатюризації, вивчаючи нові матеріали та методи виготовлення для створення менших і потужніших транзисторів.
• Більш спеціалізовані пристрої: Напівпровідникові пристрої ставатимуть дедалі більш спеціалізованими для конкретних застосувань, таких як штучний інтелект, Інтернет речей (IoT) і автомобільна електроніка.
• Більша інтеграція: 3D-інтеграція та інші передові технології пакування дозволять створювати більш складні та інтегровані системи.
• Стале виробництво: Зосередження на зменшенні впливу на навколишнє середовище та сприянні екологічним методам виробництва.

Розуміючи основні принципи електронних матеріалів і напівпровідникової технології, окремі особи та організації можуть бути краще підготовлені до вирішення проблем і можливостей цієї динамічної та швидкозмінної галузі.

Висновок

Напівпровідникова технологія є критично важливим фактором розвитку сучасного суспільства, що лежить в основі незліченних електронних пристроїв і систем. Оскільки ми рухаємося до дедалі більш цифрового світу, важливість напівпровідників лише продовжуватиме зростати. Цей посібник надав вичерпний огляд електронних матеріалів, зосереджуючись на напівпровідниковій технології, ключових матеріалах, процесах виготовлення та майбутніх тенденціях. Розуміючи ці основні концепції, читачі можуть отримати глибше розуміння складнощів і викликів напівпровідникової промисловості та її впливу на глобальну економіку.