211service.com
Motorolas Superchip
Mens han lå på stranden under en ferie på den spanske kyst i 1999, fik fysikeren Jamal Ramdani en åbenbaring. Da sandet passede til konturerne af hans krop, forestillede Ramdani, en forsker ved Motorola Labs i Tempe, AZ, pludselig en løsning på et puslespil, der havde forvirret halvlederindustrien i 30 år: hvordan man kombinerer billigt silicium med høj hastighed, lysemitterende, men langt dyrere halvledende materialer som galliumarsenid, alt sammen på en enkelt wafer.
Fordi materialerne er fysisk uoverensstemmende, har det praktisk talt været umuligt at lægge lag oven på hinanden for at producere en chip med optimale elektroniske og optiske egenskaber. Det kan have været sandet på den spanske strand, som er lavet af det samme mineral, som siliciumwafers stammer fra, der gav Ramdani det afgørende tip. Under alle omstændigheder, husker Ramdani, kom jeg tilbage til Phoenix, lånte en maskine til at dyrke sammensatte halvledere, og i to eller tre skud havde vi galliumarsenid siddende på silicium.
Fordelene ved at have funktionaliteten af galliumarsenid - især dets evner til at håndtere trådløs kommunikation og udsende lys på en billig siliciumchip gik ikke tabt for Motorola-chefer. Højtydende chips lavet af galliumarsenid og andre såkaldte sammensatte halvledere er meget udbredt i alt fra mobiltelefoner til switches i optiske kommunikationsnetværk. I det mindste kunne Ramdanis opfindelse betyde at erstatte disse dyre chips med langt billigere gallium-arsenid-på-silicium. I de to år siden Ramdanis gennembrud har Motorola indgivet over 300 patenter på teknologien; sidste efterår brugte virksomheden Ramdanis metode til at bygge prototypechips til at booste signaler i mobiltelefoner. For at kommercialisere det nye materiale har Motorola startet et helejet datterselskab-Thoughtbeam i Austin, TX, som lover, at de nye materialer vil finde vej til elektroniske og optiske enheder inden for de næste to år.
Virkningen af Motorolas chipteknologi kan gå langt ud over billigere mobiltelefoner eller optiske enheder. I dag, hvis du vil have en hurtig, billig mikroprocessor, har du brug for en siliciumchip; hvis du vil have en chip til at håndtere optiske funktioner eller højfrekvente radiosignaler, har du brug for sammensatte halvledere som galliumarsenid eller indiumphosphid. Som et resultat kræver udstyr som mobiltelefoner og kommunikationsnetværksswitches flere halvlederenheder. Til sidst, forudsiger nogle eksperter, kan Motorola-teknologien gøre det muligt at integrere funktionerne af galliumarsenid og silicium på en enkelt chip, ved at bruge hvert af materialerne til det, det gør bedst. Resultatet ville være en superchip. I stedet for at have flere chips i en DVD-afspiller, der udfører forskellige opgaver, genererer lys for at læse disken, indlæse input fra seere, afkode digitale data til billeder og lyd - en enkelt chip kunne klare det hele.
Halvlederindustrien har drømt om sådan en superchip i årtier - og en række forskere forfølger aktivt den drøm. For eksempel har Eugene Fitzgerald, en materialeforsker ved MIT, arbejdet på problemet i over et årti og har offentliggjort beskrivelser af sin egen teknik til at dyrke galliumarsenid på silicium. Han og mange andre skeptikere stiller spørgsmålstegn ved, om Motorola-teknologien vil vise sig at være en grand slam. Hvert par år er der en såkaldt løsning, men ved nærmere undersøgelse ser man, at det slet ikke er en, siger Fitzgerald.
Andre er dog så imponerede over potentialet i Ramdanis gennembrud, at de mener, at teknologien fundamentalt kan ændre dynamikken i chipfremstillingsvirksomheden, og endelig bygge bro over materialekløften mellem silicium og sammensatte halvledere, som er blevet en grundlæggende kendsgerning i industrien. Ifølge Steve Cullen, direktør og hovedanalytiker for halvlederforskningstjenester hos Cahners In-Stat Group, kan Motorolas fremskridt gå over i historien som et stort vendepunkt for halvlederindustrien.
Silicons fætre
Silicium er det foretrukne materiale til langt de fleste chips, der bruges til mikrobehandlingsapplikationer; det er nemt at håndtere, og producenterne har lært at indkapsle det lille kredsløb, der muliggør nutidens hurtige og billige computere. Men på trods af sin berømthed kan silicium ikke matche de trådløse og optiske egenskaber hos dyrere halvledere som galliumarsenid og indiumphosphid.
Disse materialer kaldes sammensatte halvledere, fordi deres krystaller - i modsætning til silicium - er sammensat af mere end et element. Denne mere komplekse sammensætning giver dem ofte ønskværdige fysiske egenskaber. For eksempel, fordi elektroner rejser hurtigere i mange sammensatte halvledere, kan materialerne behandle højfrekvente radiosignaler og dermed større mængder data, hvilket er lige hvad du har brug for, hvis du f.eks. vil have håndholdte trådløse enheder, der kan modtage sømløse strømme af video .
Og i modsætning til silicium kan mange af disse sammensatte halvledere udsende lysstråler, når de tilføres kun en lille smule elektrisk strøm. Det muliggør solid-state lasere, der kan læse de små bidder information tæt pakket på en cd eller dvd. Højhastigheds optiske kommunikationsnetværk er også afhængige af sammensatte halvledere til at konvertere optisk information til elektronisk information, og omvendt, på de tusindvis af steder, hvor optiske fibre møder elektroniske switche og computere.
Men den samme kompleksitet, der gør sammensatte halvledere så nyttige, gør dem også sprøde, svære at syntetisere, svære at integrere med andre materialer - og meget dyre. I øjeblikket koster en 15-centimeters wafer af galliumarsenid omkring 300 dollars, mens en 20-centimeters siliciumwafer kan koste omkring en tiendedel så meget. Ramdanis gennembrud involverer en måde at afsætte en patina af galliumarsenid på toppen af en wafer af standard silicium. Det øverste lag af galliumarsenid giver alle de unikke egenskaber ved dette materiale, men at sætte det på et siliciumsubstrat gør det meget nemmere at håndtere og billigere at fremstille.
Ved første rødme lyder proceduren omtrent lige så enkel som at stryge jordnøddesmør oven på en skive brød. Men i praksis er det meget sværere. Det grundlæggende problem, siger Fitzgerald, er, at de underliggende krystallinske strukturer af silicium og galliumarsenid er så forskellige, at at lægge den ene oven på den anden er som at stable grapefrugter på en seng af appelsiner. Du får fejltilpasninger og ekstra plads, siger Fitzgerald. Disse defekter i krystallen har en tendens til at fange elektroner, hvilket forstyrrer de halvledende enheders funktioner.
Indtil videre har mismatchproblemet besejret stort set alle, der nogensinde har forsøgt at lave gallium-arsenid-på-silicium-wafers. Det er med til at forklare, hvorfor mange forskere hos virksomheder som IBM og halvlederteknologistartupen AmberWave Systems fra Salem, NH, forfølger en alternativ tilgang til mere alsidige og kraftfulde halvledere: at tilpasse silicium, så det opfører sig mere som sine mere avancerede fætre. På den måde får de omkostningsfordelene ved at bruge den 50 år gamle infrastruktur for siliciumfremstillingsteknologi og alligevel nærmer de sig ydeevnen af sammensatte halvledere.
AmberWave Systems, som blev medstiftet af MIT's Fitzgerald, har udviklet en form for spændt siliciumkrystal, hvor elektroner bevæger sig hurtigere end i almindeligt silicium. Materialet gør hurtigere transistorer mulige, og det betyder for eksempel højfrekvente radiosignalprocessorer. Forskerne dyrker et lag af en silicium-germanium-legering oven på en siliciumwafer og topper derefter legeringen med et tyndt lag silicium. Fordi afstandene mellem atomerne i silicium-germanium-krystallen er længere end i silicium, skal silicium-atomerne i det øverste lag strække sig for at matche mellemrummene mellem atomerne i silicium-germanium nedenfor. Når siliciumatomerne er længere fra hinanden, bevæger elektronerne sig mere frit og dermed hurtigere.
Faktisk har denne lille smule krystalteknik givet prøver, hvor elektroner bevæger sig op til 80 procent hurtigere, end de gør i almindelige siliciumwafers. Inden for det næste år håber AmberWave at se enheder fremstillet af dette materiale komme på markedet - for eksempel mikroprocessorer eller signalforstærkende chips i mobiltelefoner.
Superchip ingredienser
 | |||||||||||||||
| Motorola-forskere drømmer om en dag at fremstille multifunktionelle chips (ovenfor) med indbyggede optiske og trådløse enheder lavet af galliumarsenid og en mikroprocessor skåret ud af det blottede siliciumsubstrat. Firmaet håber at realisere denne drøm med sin nye teknologi. Et indre lag, sammensat af siliciumdioxid og strontiumtitanat, giver en molekylær bro mellem de forskellige krystalstørrelser af silicium og galliumarsenid. (Illustration af Slim Films) Ferie visioner Tweaking af silicium kunne gøre det hurtigere, men for optiske egenskaber har du stadig brug for sammensatte halvledere. Mens en række forskere forsøger at dyrke sammensatte halvledere på silicium, mener Motorola, at de har et forspring i kapløbet om at kommercialisere teknologien - takket være både Ramdani og virksomhedens veletablerede produktions- og marketinginfrastruktur. Historien om Ramdanis gennembrud begynder faktisk mindst et år før hans skæbnesvangre spanske ferie. Ramdani var en del af en Motorola-forskningsgruppe, der forsøgte at lave silicium hurtigere, da han gjorde en utilsigtet opdagelse, der ville føre til gallium-arsenid-på-silicium-projektet. På det tidspunkt fokuserede han og hans kolleger på det tynde, glaslignende lag af siliciumdioxid, der dannes oven på silicium, når det udsættes for ilt under spånbehandling. Dette lag, kendt som et dielektrikum, er en vital chipkomponent, fordi det gør det muligt for en transistor at kontrollere den elektriske tilstand af en anden, mens den forhindrer elektroner i at lække mellem dem. Men efterhånden som transistorer bliver mindre, og dette lag bliver tyndere, bliver det mere tilbøjeligt til at lække elektroner. For at løse dette problem eksperimenterede Ramdani og hans kolleger Ravi Droopad og Jimmy Yu med et alternativ til siliciumdioxid-strontiumtitanat, der kunne forbedre ydeevnen af siliciumbaserede chips. Men da Motorola-forskerne afsatte strontiumtitanat til en værdi af en biers ånde på en siliciumoverflade, dannedes der et mellemliggende lag af siliciumdioxid. Det var som at utilsigtet at dække et vindue med et lag sort maling, når alt hvad du ville gøre var at tone det lidt. Og så besøgte Ramdani den spanske strand. Mens han slappede af på sandet, indså han, at siliciumdioxidlaget sammen med strontiumtitanat kunne tjene et langt større formål, end han oprindeligt havde forestillet sig: mellemlag, der, når de blev klemt mellem silicium og galliumarsenid, kunne forene det krystallinske misforhold mellem de to halvledere. Det skyldes, at afstandene mellem atomerne i strontiumtitanat, når de er på toppen af siliciumdioxidlaget, der dannes under det, er længere end dem i silicium, men kortere end dem i galliumarsenid. Faktisk er det siliciumdioxidet, der får atomerne i strontiumtitanat til at slappe fuldstændig af og antage en konfiguration, der er mere på linje med galliumarsenid-atomerne ovenfor. Inden for få dage efter hjemkomsten fra sin ferie lykkedes det Ramdani og hans team af ingeniører at dyrke galliumarsenid på silicium ved hjælp af disse mellemliggende lag (se Superchip Ingredienser) . Sammensatte renter Efterhånden som Motorola-forskerne forfiner deres teknologi i løbet af de kommende år og lærer at dyrke andre sammensatte halvledere oven på silicium, burde de potentielle anvendelser af materialet fortsætte med at udvide sig. Som Ramdani og hans kolleger ser det, kunne den samme type indre lag, som de bruger til at blande galliumarsenid med silicium, bruges til at dyrke indiumphosphid eller et hvilket som helst antal andre højtydende sammensatte halvledere på det samme billige siliciumsubstrat. Hver af disse sammensatte halvledere har sin egen personlighed - sin egen hastighed og lysemitterende egenskaber. En sådan teknologi kan også føre til nye slags enheder eller applikationer, som tidligere ikke har været omkostningseffektive. Billige kilder til højtydende chips kan for eksempel gøre det lettere for designere at tilføje trådløs kommunikation til husholdningsapparater og forbinde dem til internettet. Visioner om vaskemaskiner, der kommunikerer direkte med servicecentre, når de går på fritz eller køleskabe, der indkalder madbestillinger til supermarkedet, kan blive billigere at realisere, hvis ikke mere ønskeligt. Mere overkommelige lysemitterende og lysdetekterende chips kan ændre økonomien ved fiberoptiske forbindelser til direkte at forbinde hjemmecomputere, videokameraer og andre hjemlige gadgets til internettet. Ud over det deler chipproducenter som Motorola og AmberWave Systems den samme langsigtede techno-drøm-en alt-i-en wafer. I denne vision er sammensatte halvledere ikke bare lagt oven på et siliciumsubstrat, men de forskellige halvledere er integreret sammen på chippen. Hvis vi kan dyrke en tynd film af galliumarsenid oven på siliciumwafers, så kan vi måske selektivt dyrke øer af galliumarsenid på silicium, siger Charles Huang, medstifter og teknisk chef for Anadigics, et chipfremstillingsfirma baseret i Warren, NJ . Hver ø ville have sin egen funktion-say, sende og modtage beskeder trådløst eller transmittere data optisk til omverdenen. Alligevel vil størstedelen af siliciumet være tilgængeligt til selve beregningen eller lagringen af data. Sådanne multitalent-chips ville for eksempel være i stand til at skubbe data rundt i en mikroprocessor optisk. I en computer bevæger data sig i øjeblikket elektronisk både i chips og mellem chips - mellem f.eks. en mikroprocessor og en hukommelseschip - gennem små ledninger, der bremser alt. Ledningerne er den egentlige flaskehals i computere, siger Ramdani. Hvis hver siliciumchip kom med sine egne indbyggede lasere lavet af sammensatte halvledere til at flytte data rundt, ville sådanne chips både fungere hurtigere alene og være i stand til at handle større mængder data med andre chips hurtigere. Det er for tidligt at udelukke muligheden for, at en eller anden lurende fejl vil sende Motorolas voksende investering i sin nye teknologi ind i den store bunke af gode forsøg, der er gået dårligt. Der er bestemt en række skeptikere derude, der stadig ikke er overbeviste om, at virksomhedens superchip nogensinde vil leve op til sin hype. Ikke desto mindre har Motorola i de tre år, der er gået siden Ramdanis oprindelige åbenbaring, i stigende grad forpligtet sig til at sikre, at teknologien opfylder sine mange løfter, og kastet sin betydelige økonomiske og tekniske vægt bag sig. Ramdanis begejstring over gennembruddet er nemlig langt fra aftagende. Som jeg ser det, kommer denne teknologi til at revolutionere halvlederindustrien, siger han. Det vil give os mulighed for at gøre ting, som vi for 20 år siden kun kunne drømme om at gøre. Oppumpning af silicium Et udsnit af virksomheder, der skubber grænserne for halvledermaterialer
|