211service.com
Motorola's Superchip
Terwijl natuurkundige Jamal Ramdani tijdens een vakantie aan de Spaanse kust in 1999 op het strand lag, kreeg hij een openbaring. Terwijl het zand zich aan de contouren van zijn lichaam aanpaste, bedacht Ramdani, een onderzoeker bij Motorola Labs in Tempe, AZ, plotseling een oplossing voor een puzzel die de halfgeleiderindustrie 30 jaar lang had verbijsterd: hoe goedkoop silicium te combineren met hoge snelheid, lichtgevende maar veel duurdere halfgeleidende materialen zoals galliumarsenide, allemaal op een enkele wafer.
Omdat de materialen fysiek niet bij elkaar passen, is het vrijwel onmogelijk om de ene op de andere te stapelen om een chip te produceren met optimale elektronische en optische eigenschappen. Het kan zijn dat het zand op dat Spaanse strand, dat is gemaakt van hetzelfde mineraal waaruit siliciumwafels zijn afgeleid, Ramdani de cruciale hint heeft gegeven. Hoe dan ook, herinnert Ramdani zich, ik kwam terug naar Phoenix, leende een machine voor het kweken van samengestelde halfgeleiders, en in twee of drie keer hadden we galliumarsenide op silicium.
De voordelen van de functionaliteit van galliumarsenide, met name de mogelijkheid om draadloze communicatie af te handelen en licht uit te zenden op een goedkope siliciumchip, gingen niet verloren aan managers van Motorola. Hoogwaardige chips gemaakt van galliumarsenide en andere zogenaamde samengestelde halfgeleiders worden veel gebruikt in alles, van mobiele telefoons tot schakelaars in optische communicatienetwerken. De uitvinding van Ramdani zou op zijn minst kunnen betekenen dat deze dure chips worden vervangen door veel goedkopere gallium-arsenide-op-siliciumchips. In de twee jaar sinds de doorbraak van Ramdani heeft Motorola meer dan 300 patenten op de technologie ingediend; afgelopen herfst gebruikte het bedrijf de methode van Ramdani om prototypechips te bouwen voor het versterken van signalen in mobiele telefoons. Om het nieuwe materiaal op de markt te brengen, heeft Motorola een volledige dochteronderneming opgericht, Thinkbeam, in Austin, Texas, met de belofte dat de nieuwe materialen binnen de komende twee jaar hun weg zullen vinden naar elektronische en optische apparaten.
De impact van de chiptechnologie van Motorola kan veel verder gaan dan goedkopere mobiele telefoons of optische apparaten. Als je tegenwoordig een snelle, goedkope microprocessor wilt, heb je een siliciumchip nodig; als je een chip wilt die optische functies of hoogfrequente radiosignalen kan verwerken, heb je samengestelde halfgeleiders nodig zoals galliumarsenide of indiumfosfide. Als gevolg hiervan vereisen apparatuur zoals mobiele telefoons en communicatienetwerkschakelaars meerdere halfgeleiderapparaten. Volgens sommige experts zou de Motorola-technologie het uiteindelijk mogelijk kunnen maken om de functies van galliumarsenide en silicium op een enkele chip te integreren, waarbij elk van de materialen wordt gebruikt waar het goed in is. Het resultaat zou een superchip zijn. In plaats van meerdere chips in een dvd-speler te hebben die verschillende taken uitvoeren - licht genereren om de schijf te lezen, input van kijkers afhandelen, digitale gegevens decoderen in beeld en geluid - kan een enkele chip het allemaal aan.
De halfgeleiderindustrie droomt al decennia van zo'n superchip - en een aantal onderzoekers streeft die droom actief na. Eugene Fitzgerald, een materiaalwetenschapper aan het MIT, werkt bijvoorbeeld al meer dan tien jaar aan het probleem en heeft beschrijvingen gepubliceerd van zijn eigen techniek voor het kweken van galliumarsenide op silicium. Hij en vele andere sceptici betwijfelen of de Motorola-technologie een grand slam zal blijken te zijn. Om de paar jaar is er een zogenaamde oplossing, maar bij nader inzien zie je dat die er helemaal niet is, zegt Fitzgerald.
Anderen zijn echter zo onder de indruk van het potentieel van Ramdani's doorbraak dat ze geloven dat de technologie de dynamiek van de chipproductie fundamenteel kan veranderen, en eindelijk de materiaalkloof tussen silicium en samengestelde halfgeleiders kan overbruggen, wat een fundamenteel feit in de industrie is geworden. Volgens Steve Cullen, directeur en hoofdanalist van halfgeleideronderzoeksdiensten bij Cahners In-Stat Group, zou de vooruitgang van Motorola de geschiedenis in kunnen gaan als een belangrijk keerpunt voor de halfgeleiderindustrie.
Neven van Silicium
Silicium is het materiaal bij uitstek voor de overgrote meerderheid van chips die worden gebruikt in microprocessing-toepassingen; het is gemakkelijk te hanteren en fabrikanten hebben geleerd er de kleine circuits in te snijden die de snelle en goedkope computers van vandaag mogelijk maken. Maar ondanks al zijn beroemdheid, kan silicium niet tippen aan de draadloze en optische mogelijkheden van duurdere halfgeleiders zoals galliumarsenide en indiumfosfide.
Deze materialen worden samengestelde halfgeleiders genoemd omdat hun kristallen, in tegenstelling tot silicium, uit meer dan één element zijn samengesteld. Deze complexere samenstelling geeft hen vaak gewenste fysieke eigenschappen. Omdat elektronen bijvoorbeeld sneller reizen in veel samengestelde halfgeleiders, kunnen de materialen radiosignalen met een hogere frequentie verwerken en dus grotere hoeveelheden gegevens, wat precies is wat u nodig hebt als u bijvoorbeeld draagbare draadloze apparaten wilt die naadloze videostreams kunnen ontvangen .
En in tegenstelling tot silicium kunnen veel van deze samengestelde halfgeleiders lichtstralen uitzenden als ze slechts een klein beetje elektrische stroom krijgen. Dat maakt de solid-state lasers mogelijk die de kleine stukjes informatie op een cd of dvd kunnen lezen. Snelle optische communicatienetwerken vertrouwen ook op samengestelde halfgeleiders voor het omzetten van optische informatie in elektronische informatie, en vice versa, op de duizenden plaatsen waar optische vezels elektronische schakelaars en computers ontmoeten.
Dezelfde complexiteit die samengestelde halfgeleiders zo nuttig maakt, maakt ze echter ook broos, moeilijk te synthetiseren, moeilijk te integreren met andere materialen en erg duur. Op dit moment kost een wafer van 15 centimeter galliumarsenide ongeveer $ 300, terwijl een siliciumwafel van 20 centimeter ongeveer een tiende zoveel kost. Ramdani's doorbraak omvat een manier om een patina van galliumarsenide af te zetten bovenop een plak standaard silicium. De toplaag van galliumarsenide biedt alle unieke mogelijkheden van dat materiaal, maar door het op een siliciumsubstraat te plaatsen, is het veel gemakkelijker te hanteren en goedkoper te produceren.
Op het eerste gezicht klinkt de procedure ongeveer net zo eenvoudig als het smeren van pindakaas op een sneetje brood. Maar in de praktijk is het veel lastiger. Het fundamentele probleem, zegt Fitzgerald, is dat de onderliggende kristallijne structuren van silicium en galliumarsenide zo verschillend zijn dat het op elkaar leggen van lagen lijkt op het stapelen van grapefruits op een bedje van sinaasappels. Je krijgt buitenbeentjes en extra spaties, zegt Fitzgerald. Deze defecten in het kristal hebben de neiging om elektronen vast te houden, waardoor de functies van de halfgeleidende apparaten worden verstoord.
Tot dusverre heeft het probleem van de mismatch zowat iedereen verslagen die ooit geprobeerd heeft gallium-arsenide-op-siliciumwafels te maken. Dat helpt verklaren waarom veel onderzoekers van bedrijven als IBM en de startup AmberWave Systems uit Salem, NH, een alternatieve benadering nastreven van meer veelzijdige en krachtige halfgeleiders: het aanpassen van silicium zodat het zich meer gedraagt als zijn mooiere neven. Op die manier krijgen ze de kostenvoordelen van het gebruik van de 50 jaar oude infrastructuur van siliciumproductietechnologie en benaderen ze toch de prestaties van samengestelde halfgeleiders.
AmberWave Systems, mede opgericht door MIT's Fitzgerald, heeft een vorm van gespannen siliciumkristal ontwikkeld waarin elektronen sneller bewegen dan in gewoon silicium. Het materiaal maakt snellere transistoren mogelijk, en dat betekent bijvoorbeeld hoogfrequente radiosignaalprocessors. De onderzoekers kweken een laag van een silicium-germanium-legering op een siliciumwafel en bedekken de legering met een dunne laag silicium. Omdat de afstanden tussen atomen in het siliciumgermaniumkristal groter zijn dan in silicium, moeten de siliciumatomen in de bovenste laag zich uitrekken om de ruimten tussen de atomen in het siliciumgermanium eronder te evenaren. Als de siliciumatomen verder uit elkaar staan, bewegen elektronen vrijer, dus sneller.
In feite heeft dit kleine beetje kristaltechnologie monsters opgeleverd waarin elektronen tot 80 procent sneller bewegen dan in gewone siliciumwafels. Binnen het komende jaar hoopt AmberWave apparaten die van dit materiaal zijn gemaakt op de markt te zien komen, bijvoorbeeld microprocessors of signaalversterkende chips in mobiele telefoons.
Superchip ingrediënten
 | |||||||||||||||
| Motorola-onderzoekers dromen ervan ooit multifunctionele chips (hierboven) te fabriceren met ingebouwde optische en draadloze apparaten gemaakt van galliumarsenide en een microprocessor die uit het blootgestelde siliciumsubstraat is gesneden. Het bedrijf hoopt die droom te realiseren met zijn nieuwe technologie. Een interne laag, bestaande uit siliciumdioxide en strontiumtitanaat, vormt een moleculaire brug tussen de verschillende kristalgroottes van silicium en galliumarsenide. (Illustratie door Slim Films) Vakantie Visies Het tweaken van silicium zou het sneller kunnen maken, maar voor optische mogelijkheden heb je nog steeds samengestelde halfgeleiders nodig. Terwijl een aantal onderzoekers probeert samengestelde halfgeleiders op silicium te laten groeien, gelooft Motorola dat het een voorsprong heeft in de race om de technologie te commercialiseren, dankzij zowel Ramdani als de gevestigde productie- en marketinginfrastructuur van het bedrijf. De geschiedenis van Ramdani's doorbraak begint eigenlijk minstens een jaar voor zijn noodlottige Spaanse vakantie. Ramdani maakte deel uit van een onderzoeksgroep van Motorola die probeerde silicium sneller te maken toen hij een toevallige ontdekking deed die zou leiden tot het gallium-arsenide-op-silicium-project. In die tijd concentreerden hij en zijn collega's zich op de dunne, glasachtige laag siliciumdioxide die zich bovenop silicium vormt wanneer het wordt blootgesteld aan zuurstof tijdens chipverwerking. Deze laag, bekend als een diëlektricum, is een essentieel onderdeel van een chip, omdat het de ene transistor in staat stelt de elektrische toestand van een andere te regelen, terwijl wordt voorkomen dat elektronen ertussen lekken. Maar naarmate transistors kleiner worden en deze laag dunner wordt, wordt het vatbaarder voor lekkende elektronen. Om dit probleem op te lossen, experimenteerden Ramdani en zijn collega's Ravi Droopad en Jimmy Yu met een alternatief voor siliciumdioxide-strontiumtitanaat, dat de prestaties van op silicium gebaseerde chips zou kunnen verbeteren. Maar toen de Motorola-onderzoekers een ademtocht strontiumtitanaat op een siliciumoppervlak afzetten, vormde zich een tussenliggende laag siliciumdioxide. Het was alsof je per ongeluk een raam bedekt met een laag zwarte verf terwijl je het alleen maar een beetje wilde verven. En toen bezocht Ramdani dat Spaanse strand. Terwijl hij ontspande op het zand, realiseerde hij zich dat de siliciumdioxidelaag, samen met het strontiumtitanaat, een veel groter doel zou kunnen dienen dan hij aanvankelijk had gedacht: tussenlagen die, wanneer ze tussen silicium en galliumarsenide waren ingeklemd, de kristallijne mismatch tussen de twee halfgeleiders. Dat komt omdat de afstanden tussen de atomen in strontiumtitanaat, bovenop de siliciumdioxidelaag die zich eronder vormt, langer zijn dan die in silicium, maar korter dan die in galliumarsenide. In feite is het siliciumdioxide dat ervoor zorgt dat de atomen in strontiumtitanaat volledig ontspannen en een configuratie aannemen die meer in overeenstemming is met die van de galliumarsenide-atomen hierboven. Binnen enkele dagen na zijn terugkeer van zijn vakantie slaagden Ramdani en zijn team van ingenieurs erin om galliumarsenide op silicium te kweken met behulp van deze tussenliggende lagen (zie Superchip Ingrediënten ) . Samengestelde rente Terwijl de Motorola-onderzoekers hun technologie de komende jaren verfijnen en leren om andere samengestelde halfgeleiders bovenop silicium te laten groeien, zouden de potentiële toepassingen van het materiaal zich moeten blijven uitbreiden. Zoals Ramdani en zijn collega's het zien, zou hetzelfde type binnenlaag dat ze gebruiken om galliumarsenide met silicium te combineren, kunnen worden gebruikt om indiumfosfide of een aantal andere hoogwaardige samengestelde halfgeleiders op hetzelfde goedkope siliciumsubstraat te laten groeien. Elk van deze samengestelde halfgeleiders heeft zijn eigen persoonlijkheid: zijn eigen snelheid en lichtgevende eigenschappen. Dergelijke technologie kan ook leiden tot nieuwe soorten apparaten of toepassingen die voorheen niet kosteneffectief waren. Goedkope bronnen van hoogwaardige chips kunnen het bijvoorbeeld voor ontwerpers gemakkelijker maken om draadloze communicatie toe te voegen aan huishoudelijke apparaten en deze met internet te verbinden. Visioenen van wasmachines die rechtstreeks communiceren met servicecentra wanneer ze op de fritz gaan of koelkasten die voedselbestellingen naar de supermarkt roepen, zouden goedkoper kunnen worden om te realiseren, zo niet wenselijker. Meer betaalbare lichtemitterende en lichtdetecterende chips zouden de economie van glasvezelverbindingen kunnen veranderen voor het rechtstreeks aansluiten van thuiscomputers, videocamera's en andere huishoudelijke gadgets op internet. Verder delen chipfabrikanten zoals Motorola en AmberWave Systems dezelfde lange termijn techno-droom-een alles-in-één wafer. In deze visie worden samengestelde halfgeleiders niet alleen gelaagd op een siliciumsubstraat, maar worden de verschillende halfgeleiders samen geïntegreerd op de chip. Als we een dunne film van galliumarsenide bovenop siliciumwafels kunnen laten groeien, dan kunnen we misschien selectief eilanden van galliumarsenide op silicium laten groeien, zegt Charles Huang, medeoprichter en technisch directeur van Anadigics, een chipfabrikant gevestigd in Warren, NJ . Elk eiland zou zijn eigen functie hebben, bijvoorbeeld het draadloos verzenden en ontvangen van berichten of het optisch verzenden van gegevens naar de buitenwereld. Toch zou het grootste deel van het silicium beschikbaar zijn voor het daadwerkelijke berekenen of opslaan van gegevens. Dergelijke multi-getalenteerde chips zouden bijvoorbeeld data optisch rond een microprocessor kunnen transporteren. In een computer bewegen gegevens momenteel elektronisch zowel binnen chips als tussen chips - tussen bijvoorbeeld een microprocessor en een geheugenchip - door kleine draden die alles vertragen. De draden zijn het echte knelpunt in computers, zegt Ramdani. Als elke siliciumchip zijn eigen ingebouwde lasers zou hebben die zijn gemaakt van samengestelde halfgeleiders voor het verplaatsen van gegevens, zouden dergelijke chips zowel sneller zelfstandig werken als grotere hoeveelheden gegevens sneller met andere chips kunnen verhandelen. Het is te vroeg om de mogelijkheid uit te sluiten dat een loerende storing Motorola's groeiende investering in zijn nieuwe technologie in de enorme hoop goede pogingen zal doen mislukken. Er zijn zeker een aantal sceptici die er nog steeds niet van overtuigd zijn dat de superchip van het bedrijf zijn hype ooit zal waarmaken. Desalniettemin heeft Motorola zich in de drie jaar sinds Ramdani's oorspronkelijke openbaring in toenemende mate geëngageerd om ervoor te zorgen dat de technologie zijn vele beloften waarmaakt, door zijn aanzienlijke financiële en technische gewicht achter zich te werpen. Inderdaad, Ramdani's opwinding over de doorbraak is verre van tanende. Zoals ik het zie, gaat deze technologie een revolutie teweegbrengen in de halfgeleiderindustrie, zegt hij. Het stelt ons in staat om dingen te doen waar we 20 jaar geleden alleen maar van konden dromen. Silicium oppompen Een steekproef van bedrijven die de grenzen van halfgeleidermaterialen verleggen
|