با پایان عمر سیلیکون، آینده چیپس چیست؟

ظهور تراشه سیلیکونی نیمه هادی، دنیای الکترونیک و محاسبات زندگی را متحول کرد، که آغاز اوایل قرن بیست و یکم بود. مدارهای مدار مجتمع یا آی سی ها اساس کل دنیای دیجیتال اطراف ما را تشکیل می دهند و سیستم های ما را کنترل می کنند و به ما اجازه می دهند در یک چشم به هم زدن به اطلاعات دسترسی پیدا کرده و به اشتراک بگذاریم.

توسعه ترانزیستورهای سیلیکونی از زمان اولین نمونه اولیه در سال 1947 بسیار سریع بوده است و در این سال ها تعداد کل ترانزیستورهای یک تراشه مدار مجتمع اولیه از چند هزار به بیش از دو میلیارد افزایش یافته است. بر اساس قانون مور که پس از 50 سال همچنان اعمال می شود، چگالی ترانزیستورها در هر دو سال دو برابر خواهد شد.

با این حال، این اجزا با یک چالش بزرگ روبرو هستند: آخرین مدار مجتمع با ساختار 5 نانومتری که بین یک سلول خونی (7500 نانومتر) و یک زنجیره دیفتری (2.5 نانومتر) قرار دارد، تولید شده است. همچنین اندازه تک اتم‌های سیلیکون (حدود 0.2 نانومتر) در مدارهای مجتمع با عرض یک اتم محدودیت فیزیکی سختی ایجاد می‌کند و از سوی دیگر ثبات و عملکرد رفتار آن را از بین می‌برد و کنترل آن را دشوار می‌کند. .. پس راه حل چیست؟ آیا کوچک کردن اندازه تراشه های سیلیکونی تنها راه بهبود عملکرد آنهاست؟

لازم به ذکر است که عدم توانایی در کاهش اندازه مدارهای مجتمع باعث وقفه در رشد اجزای سیلیکونی می شود. برای رویارویی با این چالش، بازنگری در نحوه تولید دستگاه ها یا حتی ارائه جایگزین هایی برای سیلیکون اجتناب ناپذیر است. در این مقاله راه های دیگری برای بهبود عملکرد تراشه های سیلیکونی علاوه بر کاهش اندازه آن ها را بررسی خواهیم کرد، با زومیت همراه باشید.

مشکلات استفاده از سیلیکون در تراشه؛ سرعت، گرما و نور

برای درک چالش بعدی، ابتدا باید بفهمیم که چرا سیلیکون به بهترین ماده اولیه برای قطعات الکترونیکی تبدیل شده است. علاوه بر مزایایی مانند دسترسی فراوان به این ماده، استخراج آسان و خواص فیزیکی خوب، وجود یک اکسید بومی پایدار آن را به یک عایق خوب تبدیل کرده و تمام خواص لازم برای استفاده در ویفر را دارد. البته این مقاله ایراداتی نیز دارد.

به عنوان مثال، یکی از مزایای اصلی پیکربندی ترانزیستورهای بیشتر بر روی یک تراشه، توانایی آنها در سرعت بخشیدن به پردازش داده ها در یک مدار مجتمع است. با این حال، این افزایش سرعت مربوط به درجه ای است که الکترون ها می توانند در یک ماده نیمه هادی حرکت کنند و حرکت الکترون نامیده می شود. اگرچه الکترون های سیلیکون کاملاً متحرک هستند. اما نسبت به سایر مواد نیمه هادی مانند آرسنید گالیم، آرسنید ایندیم و آنتی مونید ایندیم تحرک کمتری دارد. بنابراین اولین مشکل استفاده از سیلیکون تحریک پذیری کم الکترون ها است.

با این حال، تمام خواص مفید رسانایی نیمه هادی ها به تحرک الکترون ها محدود نمی شود و حرکت به اصطلاح حفره های الکترونی بر رسانایی و سرعت انتقال اطلاعات تأثیر می گذارد. در واقع، شکاف الکترونی، شکاف‌های باقی‌مانده در شبکه الکترون‌ها است که در اطراف هسته نیز حرکت می‌کنند، با حرکت الکترون‌ها و افزایش رسانایی.

مدارهای مجتمع در حال حاضر از فناوری CMOS یا نیمه هادی اکسید فلزی مکمل استفاده می کنند و از یک جفت ترانزیستور استفاده می کنند که یکی از آنها از الکترون ها برای حرکت و دیگری برای حفره های الکترونی استفاده می کند. اما رانش حفره‌های الکترونیکی در سیلیکون به قدری ضعیف است که مانع عملکرد بالا می‌شود و تولیدکنندگان را مجبور می‌کند تا چندین سال از ژرمانیوم در کنار سیلیکون استفاده کنند تا سرعت رانش را افزایش دهند.

یکی دیگر از مشکلات سیلیکون افت عجیب عملکرد آن در دمای بالا است. مدارهای مجتمع مدرن، با وجود میلیاردها ترانزیستور، گرمای قابل توجهی تولید می کنند که عمدتاً توسط فن ها و هیت سینک ها (به عنوان مثال، پردازنده های رومیزی مجهز به فن) به حساب می آید. در مقابل، نیمه رساناهایی مانند نیترید گالیم (GaN) و کاربید سیلیکون یا کاربید سیلیکون (SiC) در دماهای بالاتر عملکرد بهتری دارند و می توانند سریعتر کار کنند. بنابراین در مواردی مانند آمپلی فایرهای الکترونیکی پرمصرف برای کاهش عملکرد آنها با سیلیکون جایگزین شده است.

یکی دیگر از مشکلات عمده سیلیکون، انتقال نور ضعیف است. امروزه، در حالی که لیزرها، الکترودها و سایر دستگاه های فوتون خیلی پیشرفته نیستند. اما از ترکیبات نیمه هادی به عنوان جایگزینی برای سیلیکون استفاده می کنند. در نتیجه، این امر منجر به دو صنعت متمایز شده است: استفاده از سیلیکون در سازه های الکترونیکی و استفاده از ترکیبات نیمه هادی در سازه های فتوولتائیک. این وضعیت سال ها ادامه داشت. اما در سال های اخیر فشار زیادی بر روی یک تراشه برای ترکیب الکترونیک و فوتونیک وارد شده است و این به یک مشکل بزرگ برای سازندگان تبدیل شده است.

به جای تغییر اندازه، سیلیکون را تغییر دهید

سازندگان به جای کاهش اندازه نانومتری ساختار ویفر بر اساس قانون مور، روش های مختلفی را برای بهبود عملکرد ویفرهای سیلیکونی آزمایش کردند و در نهایت تصمیم گرفتند روش استفاده از سیلیکون را تغییر دهند. در این راستا، مواد مختلفی برای ترکیب با سیلیکون برای بهبود عملکرد مورد آزمایش قرار گرفتند و در نهایت سه مورد از آنها انتخاب شدند.

اولین ماده برای از بین بردن ضعف سیلیکون در رانش حفره الکترونی بود. برای بهبود این مشکل، مقدار کمی ژرمانیوم به چیپس اضافه شد. اما افزایش مقدار یا حتی استفاده کامل از ترانزیستورهای ژرمانیومی می تواند وضعیت را بهبود بخشد. ژرمانیوم اولین ماده ای بود که در نیمه هادی ها استفاده شد. بنابراین، استفاده مجدد از آن دقیقاً بازگشتی به آینده است. با این حال، بازسازی صنعت گسترده نیمه هادی ژرمانیوم و حذف سیلیکون برای تولیدکنندگان بسیار دشوار و پرهزینه خواهد بود.

مقاله دوم به موضوع اکسیدهای فلزی مربوط می شود. دی اکسید سیلیکون سال ها در نیمه هادی ها استفاده می شود. اما با کوچک شدن لایه دی اکسید سیلیکون، آنقدر نازک شد که خاصیت عایق خود را از دست داد و ترانزیستورها تقریباً غیرقابل اعتماد شدند. پس از تحقیقات فراوان، مواد کمیاب دی اکسید هافنیوم (HfO2) به عنوان یک ایزوله جایگزین استفاده شده است. البته با وجود حرکت به سمت استفاده از این ماده کمیاب، تحقیقات بر روی جایگزین هایی با خواص عایق بهتر همچنان ادامه دارد.

سپس و برای حل مشکل استفاده از سیلیکون، ممکن است استفاده از نیمه هادی های کامپوزیتی III-V، به ویژه نمونه های حاوی ایندیم، مانند آرسنید ایندیم و ضد یخ ایندیم، جالب تر باشد. این نیمه هادی ها 50 برابر تحریک پذیری الکترونیکی بیشتری نسبت به سیلیکون ارائه می دهند و در صورت ترکیب با ترانزیستورهای غنی شده با ژرمانیوم، می توانند سرعت را به میزان قابل توجهی افزایش دهند.

با این حال، همه چیز آنطور که به نظر می رسد آرام پیش نمی رود. سیلیکون، ژرمانیوم، اکسیدها و مواد III-V همگی دارای ساختارهای کریستالی هستند که خواص آنها به یکپارچگی کریستالی آنها بستگی دارد. بنابراین به راحتی نمی توان آن را با سیلیکون ترکیب کرد و بهترین عملکرد را از آن انتظار داریم. بنابراین، حل مشکل عدم تطابق شبکه کریستالی به چالش اصلی این تکنیک تبدیل شده است. برای حل این مشکل روش های مختلفی مورد بررسی قرار گرفت که در نهایت منجر به استفاده بهتر از سیلیکون شد.

انواع سیلیکونی

با وجود تمام محدودیت های سیلیکون؛ سیلیکون الکترونیک ثابت کرده است که سازگار، قابل اعتماد و مقرون به صرفه در بازار دستگاه های بازار انبوه است. بنابراین، بر خلاف ایده “پایان عصر سیلیکون” یا وعده های غیر واقعی مواد جایگزین، سیلیکون ثابت کرده است که بهترین انتخاب است و به شدت توسط صنعت نیمه هادی جهانی حمایت می شود و حداقل برای بقیه زندگی ما

در عوض، پیشرفت‌های الکترونیکی عملکرد سیلیکون را از طریق ادغام با مواد دیگر بهبود می‌بخشد. شرکت‌هایی مانند آی‌بی‌ام، اینتل و آزمایشگاه‌های دانشگاهی در سرتاسر جهان زمان و تلاش خود را برای مقابله با این چالش صرف کرده‌اند و نتایج تحقیقات نوید یک رویکرد ترکیبی را می‌دهد که در آن مخلوطی از مواد III-V، سیلیکون و ژرمانیوم را می‌توان در چند مرحله به دست آورد. دقایق. بازار عمومی را تسخیر کنید.

نیمه هادی های کامپوزیتی قبلاً قدرت خود را در زمینه های مهمی مانند لیزرها، لامپ ها، صفحه نمایش LED و پنل های خورشیدی نشان داده اند که سیلیکون چیزی برای گفتن ندارد. با این حال، در آینده به مجموعه های پیشرفته تری نیاز خواهیم داشت زیرا دستگاه های الکترونیکی کوچکتر می شوند و هر لحظه انرژی کمتری مصرف می کنند. علاوه بر این، دستگاه های الکترونیکی پرمصرف به دلیل ویژگی هایی که بیش از ظرفیت سیلیکون دارند، نیاز به ترکیبات پیشرفته را تشدید می کنند.

آینده دنیای الکترونیک بسیار روشن است. اگرچه بسیاری از آنها هنوز مدیون سیلیکون هستند. اما این بار سیلیکون در ترکیب با مواد دیگر انواع مختلفی خواهد داشت تا خواص بهبود یافته تری ارائه دهد.

نظر شما در مورد آینده تراشه ها چیست؟