Limita de utilizare a siliciului şi următoarea revoluţie din electronică

Cipurile realizate din siliciu semiconductor au lansat revoluția din industria electronicelor și informatizarea din societatea noastră. Circuitele integrate pe bază de siliciu stau la baza dispozitivelor electronice interconectate din lumea noastră digitală cu ajutorul cărora putem accesa și partaja informațiile dorite.

Datorită miniaturizării tranzistoarelor, numărul de tranzistoare de pe un singur cip a crescut de la câteva mii în cazul primelor circuite integrate până la mai mult de două miliarde în prezent. Legea lui Moore prezice că numărul tranzistoarelor de pe un cip se dublează la fiecare doi ani şi aceasta este încă valabilă după 50 de ani de la data la care a fost propusă.

Legea lui Moore este încă valabilă după 50 de ani de la data la care a fost propusă. Credit: shigeru23, CC BY-SA

Cu toate acestea, electronica pe bază de siliciu se confruntă cu o importantă provocare tehnologică: cele mai recente componente electronice integrate măsoară doar 7 nm. Pentru comparaţie, celulele roşii din sânge au un diametru de 7.500 nm, iar diametrul elicei duble a ADN-ului este de 2,5 nm. Diametrul atomilor de siliciu este de aproximativ 0,2 nm şi acesta reprezintă limita fizică privind miniaturizarea circuitelor electronice, la această mărime funcţionarea acestora devine instabilă şi greu de controlat.

În condiţiile în care nu se vor mai putea miniaturiza circuitele integrate pe bază de siliciu atunci nu vom mai putea creşte performanţele şi eficienta acestora ca până acum. Din acest motiv trebuie să regândim modul prin care sunt fabricate aceste componente sau chiar va trebui să găsim o alternativă la siliciu.

Viteză, căldură şi lumină

Pentru a înțelege această provocare tehnologică, trebuie să cunoaştem de ce s-a ales siliciul pentru fabricarea componentelor electronice semiconductoare. Deşi acesta are de partea sa o serie de avantaje – abundenţa, se prelucrează relativ uşor, are proprietăți fizice bune și dispune de un strat nativ de oxid (SiO2) stabil care este un bun izolator – el are, de asemenea, mai multe dezavantaje.

De exemplu, un mare avantaj al integrării unui număr cât mai mare de tranzistoare într-un singur cip este acela că în acest mod circuitul integrat va putea procesa mai rapid informațiile. Dar această creştere de viteză depinde în mod semnificativ de cât de ușor se pot deplasa electronii în interiorul materialului semiconductor. Această proprietate este cunoscută sub numele de mobilitatea electronilor și chiar dacă electronii din siliciu sunt destul de mobili, aceştia se pot deplasa mult mai uşor în alte materiale semiconductoare cum ar fi arseniura de galiu, arseniura de indiu și antimonid de indiu.

Proprietățile conductive ale semiconductorilor nu se limitează doar la deplasarea electronilor, ele includ, de asemenea, deplasarea golurilor din semiconductori – adică a spaţiilor libere din reţeaua de electroni care înconjoară nucleul atomic.

Circuitele integrate moderne folosesc dispozitive logice CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) care utilizează o pereche de tranzistori, unul care foloseşte pentru conducţie electroni și altul care foloseşte golurile din semiconductori. Din păcate, mobilitatea golurilor din siliciu este foarte redusă, iar acest lucru este un obstacol în obţinerea unor performanțe ridicate. Din acest motiv, producătorii de componente electronice au fost nevoiţi să adauge germaniu alături de siliciu.

Un alt dezavantaj al siliciului este acela că performanțele acestuia se reduc considerabil odată cu creşterea temperaturii de lucru. Circuitele integrate moderne care înglobează miliarde de tranzistoare generează o căldură considerabilă, astfel încât este necesară răcirea lor – gândiţi-vă doar la ventilatoarele şi radiatoarele utilizate pentru protecţia termică a unui procesor dintr-un computer obişnuit. Alte materiale semiconductoare, precum ar fi nitrura de galiu (GaN) și carbura de siliciu (SiC) se comportă mult mai bine la temperaturi ridicate, ceea ce înseamnă că pe baza acestora se pot realiza componente electronice ce pot funcţiona la o viteză mai mare. Acestea au început deja să înlocuiască siliciul în cadrul unor aplicaţii critice de mare putere, aşa cum ar fi amplificatoarele electronice.

Un alt dezavantaj al siliciului este acela că acesta nu este bun pentru transmiterea luminii. Deşi laserele, LED-urile și alte dispozitive fotonice sunt tot mai des întâlnite în prezent, acestea folosesc alte materiale semiconductoare. În consecinţă, s-au dezvoltat două industrii distincte a materialelor semiconductoare: una a siliciului pentru componentele electronice și una a materialelor semiconductoare compuse pentru fotonică. Această situație există de ani de zile, dar în prezent se doreşte tot mai mult combinarea materialelor destinate dispozitivele electronice și a celor fotonice pe un singur cip.

Laserele semiconductoare folosesc germaniul. Credit: 彭家杰, CC BY-SA

Materiale noi pentru viitor

Pentru creşterea mobilităţii golurilor de electroni din siliciu, în prezent se adaugă o cantitate mică de germaniu pentru a îmbunătăți această caracteristică, dar folosirea unei cantităţi mai mari sau chiar realizarea tranzistoarelor numai din germaniu ar putea fi soluţii mai bune. Deşi germaniul a fost primul material utilizat pentru dispozitivele semiconductoare, o realinierea a industriei componentelor semiconductoare în jurul germaniului ar fi destul de problematică pentru producători.

În ceea ce priveşte oxizii metalici, dioxidul de siliciu a fost folosit în cadrul tranzistoarelor de mai mulți ani, dar odată cu miniaturizarea, stratul de dioxid de siliciu a devenit atât de subțire încât a început să-și piardă proprietățile izolatoare, ceea ce înseamnă că tranzistoarelor pot deveni nesigure în funcţionare. În ciuda faptului că s-a utilizat şi dioxidul de hafniu (HfO2) ca izolator, căutarea unui material alternativ cu proprietăți chiar mai bine de izolare continuă şi în prezent.

Probabil cea mai interesantă alternativă pentru siliciu o reprezintă utilizarea așa-numitelor materiale semiconductoare compuse III-V, în special cele care conțin indiu, cum ar fi arseniura de indiu și antimonid de indiu. Aceste materiale semiconductoare au o mobilitate a electronilor de până la 50 ori mai mare decât în cazul siliciului. În combinaţie cu germaniul, acestea pot oferi tranzistoarelor o creștere majoră de viteză.

Cu toate acestea, acest lucru nu este la fel de simplu pe cât pare. Siliciul, germaniul, oxizii și materialele din grupele III-V reprezintă structuri cristaline ale căror proprietăţi depind de integritatea cristalului. Nu putem, pur și simplu, să le amestecăm cu siliciu și să obţinem tot ce este mai bun din ele. Asimetria rețelei cristaline reprezintă o provocare tehnologică majoră.

Diferite materiale semiconductoare pe bază de siliciu

În ciuda limitărilor sale, siliciul s-a dovedit un material de bază pentru realizarea componentelor electronice ce sunt înglobate în dispozitivele electronice ce sunt produse în masă şi la un preţ redus. Deci, în ciuda unor titluri privind „sfârșitul siliciului” sau a unor promisiuni spectaculoase (și, uneori, destul de nerealiste) privind materialele alternative, siliciul este încă regele și, susținut de o industrie globală uriașă și extrem de bine dezvoltată, acesta nu va fi detronat în timpul vieții noastre.

În schimb, se vor face progrese în electronică odată cu îmbunătățirea proprietăţilor siliciului prin combinarea acestuia cu alte materiale. Diferite companii, precum IBM şi Intel, precum și laboratoare universitare din întreaga lume au lucrat în această direcţie, iar rezultatele obţinute sunt promiţătoare: o soluţie hibridă care îmbină materialele III-V, siliciul și germaniul ar putea ajunge pe piață în câțiva ani. Materialele semiconductoare compuse au fost deja utilizate în lasere, LED-urile de iluminat / display-uri şi panourile solare. Aceste materiale trebuie să devină tot mai performante odată cu cerinţa de miniaturizare a dispozitivelor electronice şi reducerea în continuare a consumului de energie al acestora.

Traducere şi adaptare după With silicon pushed to its limits, what will power the next electronics revolution?