Yarı iletken silikon çip, 21. yüzyılın ilk yıllarında hayatı son yüzyılın başlangıcından itibaren zar zor tanınabilir kılan elektronik ve bilgisayar devrimini başlattı. Silikon entegre devreler (IC), birbirine bağlı, dijital dünyamızda şu anda olduğu gibi kabul ettiğimiz her şeyin temelini oluşturuyor: kullandığımız sistemleri kontrol etmek ve istediğimiz zaman bilgiye erişmemizi ve bilgiyi paylaşmamızı sağlamak.

1947’deki ilk silikon transistörden bu yana ilerleme hızı çok büyük olmuştur, tek bir çip üzerindeki transistörlerin sayısı en eski entegre devrelerde birkaç binden bugün iki milyardan fazlaya çıkmıştır . Moore yasası – transistör yoğunluğunun her iki yılda bir ikiye katlanacağı – önerilmesinden 50 yıl sonra hala geçerlidir .

Bununla birlikte, silikon elektroniği bir zorlukla karşı karşıyadır: en son devreler yalnızca 7 nm genişliğindedir – bir kırmızı kan hücresi (7,500 nm) ile tek bir DNA dizisi (2,5 nm) arasında. Tek tek silikon atomlarının boyutu (yaklaşık 0,2 nm) zor bir fiziksel sınır olacaktır (bir atom genişliğindeki devrelerle), ancak davranışı kararsız hale gelir ve o zamandan önce kontrol edilmesi zorlaşır.

IC’leri küçültme yeteneği olmadan, daha fazla silikon, şimdiye kadar sahip olduğu kazanımları üretmeye devam edemez. Bu zorluğun üstesinden gelmek, cihazları nasıl ürettiğimizi veya hatta silikonun kendisine bir alternatife ihtiyacımız olup olmadığını yeniden düşünmeyi gerektirebilir.

Hız, ısı ve ışık

Zorluğu anlamak için, silikonun neden elektronik için tercih edilen malzeme haline geldiğine bakmamız gerekiyor. Kendi lehine birçok noktaya sahip olsa da – bol, işlenmesi nispeten kolay, iyi fiziksel özelliklere sahip ve iyi bir yalıtkan olan kararlı bir doğal okside (SiO 2 ) sahip – aynı zamanda birkaç dezavantajı var.

Örneğin, giderek daha fazla transistörü tek bir çipte birleştirmenin büyük bir avantajı, bir IC’nin bilgiyi daha hızlı işlemesini sağlamasıdır. Ancak bu hız artışı, elektronların yarı iletken malzeme içinde ne kadar kolay hareket edebildiğine kritik olarak bağlıdır. Bu elektron hareketliliği olarak bilinir ve silikondaki elektronlar oldukça hareketliyken, galyum arsenit, indiyum arsenit ve indiyum antimonit gibi diğer yarı iletken malzemelerde çok daha hareketlidirler.

Bununla birlikte, yarı iletkenlerin yararlı iletken özellikleri sadece elektronların hareketiyle değil, aynı zamanda elektron delikleri denilen şeyin hareketiyle de ilgilidir – elektronlar dışarı itildikten sonra çekirdeğin etrafında dönen elektronların kafesinde geride kalan boşluklar.

Modern IC’ler , biri elektronları ve diğer elektron deliklerini kullanan bir çift transistör kullanan tamamlayıcı metal oksit yarı iletken ( CMOS ) adı verilen bir teknik kullanır. Ancak silikondaki elektron deliği hareketliliği çok zayıftır ve bu, daha yüksek performans için bir engeldir – o kadar ki, üreticiler birkaç yıldır silikona germanyum ekleyerek bunu artırmak zorunda kaldılar.

Silikonun ikinci sorunu, performansın yüksek sıcaklıklarda kötü bir şekilde düşmesidir. Milyarlarca transistöre sahip modern IC’ler önemli ölçüde ısı üretir, bu yüzden onları soğutmak için çok çaba harcanır – tipik bir masaüstü bilgisayar işlemcisine bağlı fanları ve soğutucuları düşünün. Galyum nitrür (GaN) ve silisyum karbür (SiC) gibi alternatif yarı iletkenler daha yüksek sıcaklıklarda çok daha iyi başa çıkıyor, bu da daha hızlı çalışabilecekleri ve amplifikatörler gibi kritik yüksek güçlü uygulamalarda silikonun yerini almaya başladıkları anlamına geliyor.

Son olarak, silikon ışığı iletmede çok zayıftır. Lazerler, LED’ler ve diğer fotonik cihazlar günümüzde yaygın olsa da, silikona alternatif yarı iletken bileşikler kullanıyorlar. Sonuç olarak, elektronik için silikon ve fotonik için bileşik yarı iletkenler olmak üzere iki farklı endüstri gelişti. Bu durum yıllardır var, ancak şimdi elektronik ve fotonikleri tek bir çip üzerinde birleştirmek için büyük bir baskı var. Üreticiler için bu oldukça sorunlu.

Gelecek için yeni malzemeler

Silikonun elektronik performansını iyileştirmek için ortak olarak araştırılan birçok malzemeden belki üçü kısa vadede söz veriyor.

İlki, silikonun zayıf elektron deliği hareketliliği ile ilgilidir. Bunu geliştirmek için az miktarda germanyum zaten eklenmiştir, ancak büyük miktarlarda veya hatta tüm-germanyum transistörlerine geçiş yapmak daha iyi olacaktır. Germanyum, yarı iletken cihazlar için kullanılan ilk malzemeydi, bu yüzden gerçekten bu, “geleceğe dönüş” hareketidir. Ancak yerleşik endüstriyi germanyum etrafında yeniden hizalamak, üreticiler için oldukça sorun olacaktır.

İkincisi metal oksitlerle ilgilidir. Silikon dioksit, transistörlerde uzun yıllar kullanıldı, ancak minyatürleşmeyle birlikte silikon dioksit tabakası o kadar küçüldü ki yalıtım özelliklerini kaybetmeye başladı ve güvenilmez transistörlere yol açtı. Yedek yalıtkan olarak nadir toprak hafniyum dioksit (HfO 2 ) kullanımına yönelik bir hareket olmasına rağmen , daha da iyi yalıtım özelliklerine sahip alternatifler aranmaktadır.

Belki de en ilginç olanı , özellikle indiyum arsenit ve indiyum antimonit gibi indiyum içeren III-V bileşik yarı iletkenlerin kullanılmasıdır. Bu yarı iletkenler, silikondan 50 kat daha fazla elektron hareketliliğine sahiptir. Germanyum açısından zengin transistörlerle birleştirildiğinde, bu yaklaşım büyük bir hız artışı sağlayabilir.

Yine de her şey göründüğü kadar basit değil. Silisyum, germanyum, oksitler ve III-V malzemeleri, özellikleri için kristalin bütünlüğüne bağlı olan kristal yapılardır. Bunları basitçe silikonla bir araya getirip ikisinden de en iyisini elde edemeyiz. Bu problemle başa çıkmak, kristal kafes uyumsuzluğu , devam eden en büyük teknolojik zorluktur.

Silikonun farklı tatları

Sınırlamalarına rağmen, silikon elektroniğin uyarlanabilirliği, minimum maliyetle güvenilir, kitlesel pazar cihazlarına dönüştürülebildiği kanıtlanmıştır. Dolayısıyla, “silikonun sonu” veya alternatif malzemelerin muhteşem (ve bazen oldukça gerçekçi olmayan) vaadiyle ilgili manşetlere rağmen, silikon hala kraldır ve devasa ve son derece gelişmiş bir küresel endüstri tarafından desteklenen, ömrümüz boyunca görevden alınmayacaktır.

Bunun yerine elektronikteki ilerleme, diğer malzemeleri entegre ederek silikonun geliştirilmesinden gelecektir. IBM ve Intel gibi şirketler ve dünya çapındaki üniversite laboratuvarları bu zorluğa zaman ve çaba harcadı ve sonuçlar umut verici: III-V malzemeleri, silikon ve germanyumu harmanlayan hibrit bir yaklaşım birkaç yıl içinde pazara ulaşabilir. Bileşik yarı iletkenler, silikonun basitçe rekabet edemediği lazerlerde, LED aydınlatma/ekranlarda ve güneş panellerinde önemli kullanımlar bulmuşlardır. Elektronik cihazlar giderek küçüldükçe ve gücü azaldıkça ve ayrıca özelliklerinin silikonun yetenekleri üzerinde önemli bir gelişme olduğu yüksek güçlü elektronikler için daha gelişmiş bileşiklere ihtiyaç duyulacaktır.

Elektroniğin geleceği parlak ve yine de büyük ölçüde silikona dayalı olacak – ancak şimdi silikonun birçok farklı tadı var.