211service.com
Motorolas Superchip
När fysikern Jamal Ramdani låg på stranden under en semester på den spanska kusten 1999 fick han en uppenbarelse. När sanden anpassade sig till konturerna av hans kropp, föreställde Ramdani, en forskare vid Motorola Labs i Tempe, AZ, plötsligt en lösning på ett pussel som hade förbryllat halvledarindustrin i 30 år: hur man kombinerar billigt kisel med hög hastighet, ljusavgivande men mycket dyrare halvledande material som galliumarsenid, allt på en enda wafer.
Eftersom materialen inte matchar fysiskt, har det varit praktiskt taget omöjligt att lägga på varandra för att producera ett chip med optimala elektroniska och optiska egenskaper. Det kan ha varit sanden på den spanska stranden, som är gjord av samma mineral som kiselwafers härrör från, som gav Ramdani den centrala antydan. Hur som helst, minns Ramdani, kom jag tillbaka till Phoenix, lånade en maskin för att odla sammansatta halvledare, och i två eller tre skott hade vi galliumarsenid på kisel.
Fördelarna med att ha funktionaliteten hos galliumarsenid - särskilt dess förmåga att hantera trådlös kommunikation och avge ljus på ett billigt kiselchip gick inte förlorade för Motorolas chefer. Högpresterande chips gjorda av galliumarsenid och andra så kallade sammansatta halvledare används flitigt i allt från mobiltelefoner till switchar i optiska kommunikationsnätverk. Åtminstone kan Ramdanis uppfinning innebära att man ersätter dessa dyra chips med mycket billigare gallium-arsenid-på-kisel. Under de två åren sedan Ramdanis genombrott har Motorola lämnat in över 300 patent på tekniken; i höstas använde företaget Ramdanis metod för att bygga prototypchips för att öka signalerna i mobiltelefoner. För att kommersialisera det nya materialet har Motorola startat ett helägt dotterbolag Thoughtbeam i Austin, TX och lovar att de nya materialen kommer att hitta sin väg till elektroniska och optiska enheter inom de kommande två åren.
Effekten av Motorolas chipteknologi kan gå långt utöver billigare mobiltelefoner eller optiska enheter. Idag, om du vill ha en snabb, billig mikroprocessor, behöver du ett kiselchip; om du vill ha ett chip för att hantera optiska funktioner eller högfrekventa radiosignaler behöver du sammansatta halvledare som galliumarsenid eller indiumfosfid. Som ett resultat kräver utrustning som mobiltelefoner och kommunikationsnätverksväxlar flera halvledarenheter. Så småningom, förutspår vissa experter, kan Motorola-tekniken göra det möjligt att integrera funktionerna hos galliumarsenid och kisel på ett enda chip, med vart och ett av materialen för vad den gör bäst. Resultatet skulle bli ett superchip. Istället för att ha flera kretsar i en DVD-spelare som gör olika uppgifter och genererar ljus för att läsa skivan, fält indata från tittare, avkodar digital data till bilder och ljud - ett enda chip kunde hantera allt.
Halvledarindustrin har drömt om ett sådant superchip i decennier - och ett antal forskare driver aktivt den drömmen. Till exempel har Eugene Fitzgerald, en materialforskare vid MIT, arbetat med problemet i över ett decennium och har publicerat beskrivningar av sin egen teknik för att odla galliumarsenid på kisel. Han och många andra skeptiker ifrågasätter om Motorola-tekniken kommer att visa sig vara en grand slam. Med några års mellanrum finns det en så kallad lösning, men vid närmare granskning ser man att det inte alls är det, säger Fitzgerald.
Andra är dock så imponerade av potentialen i Ramdanis genombrott att de tror att tekniken i grunden kan förändra dynamiken i chiptillverkningsverksamheten, och slutligen överbrygga materialklyftan mellan kisel och sammansatta halvledare som har blivit ett grundläggande faktum i branschen. Enligt Steve Cullen, chef och huvudanalytiker för halvledarforskningstjänster på Cahners In-Stat Group, kan Motorolas framsteg gå till historien som en stor vändpunkt för halvledarindustrin.
Silicons kusiner
Kisel är det valbara materialet för de allra flesta chips som används i mikrobearbetningsapplikationer; det är lätt att hantera, och tillverkarna har lärt sig att skapa de små kretsar som möjliggör dagens snabba och billiga datorer. Men trots alla sina kändisar kan kisel inte matcha de trådlösa och optiska egenskaperna hos dyrare halvledare som galliumarsenid och indiumfosfid.
Dessa material kallas sammansatta halvledare eftersom deras kristaller, till skillnad från kisel, består av mer än ett element. Denna mer komplexa sammansättning ger dem ofta önskvärda fysiska egenskaper. Till exempel, eftersom elektroner färdas snabbare i många sammansatta halvledare, kan materialen bearbeta högfrekventa radiosignaler och därmed större mängder data, vilket är precis vad du behöver om du till exempel vill ha handhållna trådlösa enheter som kan ta emot sömlösa strömmar av video .
Och till skillnad från kisel kan många av dessa sammansatta halvledare sända ut ljusstrålar när de matas med bara lite elektrisk ström. Det möjliggör solid-state lasrar som kan läsa de små informationsbitarna tätt packade på en CD eller DVD. Höghastighets optiska kommunikationsnätverk är också beroende av sammansatta halvledare för att omvandla optisk information till elektronisk information, och vice versa, på de tusentals platser där optiska fibrer möter elektroniska switchar och datorer.
Men samma komplexitet som gör sammansatta halvledare så användbara gör dem också spröda, svåra att syntetisera, svåra att integrera med andra material - och mycket dyra. För tillfället kostar en 15-centimeters wafer av galliumarsenid cirka 300 dollar, medan en 20-centimeters kiselwafer kan kosta cirka en tiondel så mycket. Ramdanis genombrott innebär ett sätt att deponera en patina av galliumarsenid ovanpå en wafer av standardkisel. Det översta lagret av galliumarsenid ger alla de unika egenskaperna hos det materialet, men att lägga det på ett kiselsubstrat gör det mycket lättare att hantera och billigare att tillverka.
Vid första rodnad låter proceduren ungefär lika enkel som att hälla jordnötssmör ovanpå en brödskiva. Men i praktiken är det mycket svårare. Det grundläggande problemet, säger Fitzgerald, är att de underliggande kristallina strukturerna av kisel och galliumarsenid är så olika att att lägga den ena på den andra är som att stapla grapefrukter på en bädd av apelsiner. Man får misspassningar och extra utrymmen, säger Fitzgerald. Dessa defekter i kristallen tenderar att haka i elektroner, vilket stör funktionerna hos de halvledande enheterna.
Hittills har missmatchningsproblemet besegrat nästan alla som någonsin har försökt göra gallium-arsenid-på-kiselwafers. Det hjälper till att förklara varför många forskare på företag som IBM och halvledarteknologistartupen AmberWave Systems i Salem, NH, eftersträvar ett alternativt tillvägagångssätt till mer mångsidiga och kraftfulla halvledare: att justera kisel så att det beter sig mer som sina finare kusiner. På så sätt får de kostnadsfördelarna med att använda den 50 år gamla infrastrukturen för kiseltillverkningsteknik och ändå närmar sig prestandan hos sammansatta halvledare.
AmberWave Systems, som grundades av MIT:s Fitzgerald, har utvecklat en form av ansträngd kiselkristall där elektroner rör sig snabbare än i vanligt kisel. Materialet gör snabbare transistorer möjliga, och det innebär till exempel högrefrekventa radiosignalprocessorer. Forskarna odlar ett lager av en kisel-germaniumlegering ovanpå en kiselskiva och toppar sedan legeringen med ett tunt lager kisel. Eftersom avstånden mellan atomerna i kisel-germaniumkristallen är längre än i kisel, måste kiselatomerna i det översta lagret sträcka sig för att matcha mellanrummen mellan atomerna i kisel-germaniumet nedan. När kiselatomerna är längre ifrån varandra rör sig elektroner friare, alltså snabbare.
Faktum är att denna lilla bit av kristallteknik har gett prover där elektroner rör sig upp till 80 procent snabbare än de gör i vanliga kiselskivor. Inom nästa år hoppas AmberWave att se enheter tillverkade av detta material komma ut på marknaden, till exempel mikroprocessorer eller signalförstärkande chips i mobiltelefoner.
Superchip Ingredienser
 | |||||||||||||||
| Motorola-forskare drömmer om att en dag tillverka multipurpose-chips (ovan) med inbyggda optiska och trådlösa enheter gjorda av galliumarsenid och en mikroprocessor utskuren ur det exponerade kiselsubstratet. Företaget hoppas kunna förverkliga den drömmen med sin nya teknik. Ett inre skikt, som består av kiseldioxid och strontiumtitanat, ger en molekylär brygga mellan de olika kristallstorlekarna av kisel och galliumarsenid. (Illustration av Slim Films) Semestervisioner Att justera kisel kan göra det snabbare, men för optiska funktioner behöver du fortfarande sammansatta halvledare. Medan ett antal forskare försöker odla sammansatta halvledare på kisel, tror Motorola att de har ett försprång i kapplöpningen att kommersialisera tekniken, tack vare både Ramdani och företagets väletablerade tillverknings- och marknadsföringsinfrastruktur. Historien om Ramdanis genombrott börjar faktiskt minst ett år före hans ödesdigra spanska semester. Ramdani var en del av en forskargrupp från Motorola som försökte göra kisel snabbare när han gjorde en oavsiktlig upptäckt som skulle leda till gallium-arsenid-på-kisel-projektet. Vid den tiden fokuserade han och hans kollegor på det tunna, glasliknande skiktet av kiseldioxid som bildas ovanpå kisel när det utsätts för syre under chipbearbetning. Detta skikt, känt som ett dielektrikum, är en viktig chipkomponent eftersom det gör det möjligt för en transistor att kontrollera det elektriska tillståndet hos en annan samtidigt som det förhindrar att elektroner läcker mellan dem. Men när transistorer blir mindre och detta lager blir tunnare, blir det mer benäget att läcka elektroner. För att lösa detta problem experimenterade Ramdani och hans kollegor Ravi Droopad och Jimmy Yu med ett alternativ till kiseldioxid-strontiumtitanat - som kunde förbättra prestandan hos kiselbaserade chips. Men när Motorola-forskarna deponerade strontiumtitanat av ett bis andetag på en kiselyta, bildades ett mellanliggande lager av kiseldioxid. Det var som att oavsiktligt täcka ett fönster med ett lager svart färg när allt du ville göra var att färga det en aning. Och sedan besökte Ramdani den spanska stranden. Medan han kopplade av på sanden insåg han att kiseldioxidskiktet, tillsammans med strontiumtitanatet, kunde tjäna ett mycket större syfte än han ursprungligen hade föreställt sig: mellanskikt som, när de var inklämda mellan kisel och galliumarsenid, kunde förena den kristallina oöverensstämmelsen mellan de två halvledarna. Det beror på att avstånden mellan atomerna i strontiumtitanat, när de är på toppen av kiseldioxidskiktet som bildas under det, är längre än i kisel men kortare än de i galliumarsenid. Faktum är att det är kiseldioxiden som får atomerna i strontiumtitanat att slappna av helt och anta en konfiguration som är mer i linje med den hos galliumarsenidatomerna ovan. Några dagar efter att han återvänt från sin semester, lyckades Ramdani och hans team av ingenjörer odla galliumarsenid på kisel med dessa mellanliggande lager (se Superchip Ingredienser) . Sammansatt ränta När Motorola-forskarna förfinar sin teknologi under de kommande åren och lär sig att odla andra sammansatta halvledare på toppen av kisel, borde de potentiella tillämpningarna av materialet fortsätta att expandera. Som Ramdani och hans kollegor ser det, kan samma typ av inre lager som de använder för att gifta galliumarsenid till kisel användas för att odla indiumfosfid eller valfritt antal andra högpresterande sammansatta halvledare på samma billiga kiselsubstrat. Var och en av dessa sammansatta halvledare har sin egen personlighet - sin egen hastighet och ljusemitterande egenskaper. Sådan teknik kan också leda till nya typer av enheter eller applikationer som tidigare inte varit kostnadseffektiva. Billiga källor till högpresterande chips kan till exempel göra det lättare för designers att lägga till trådlös kommunikation till hushållsapparater och ansluta dem till Internet. Visioner om tvättmaskiner som direkt kommunicerar med servicecenter när de går på fritz eller kylskåp som ringer in matbeställningar till snabbköpet kan bli billigare att förverkliga, om inte mer önskvärt. Mer prisvärda ljusavgivande och ljusupptäckande chips kan förändra ekonomin för fiberoptiska länkar för att direkt ansluta hemdatorer, videokameror och andra inhemska prylar till Internet. Utöver det delar chiptillverkare som Motorola och AmberWave Systems samma långsiktiga teknodröm-en allt-i-ett-skiva. I denna vision är sammansatta halvledare inte bara skiktade ovanpå ett kiselsubstrat, utan de olika halvledarna är integrerade tillsammans på chipet. Om vi kan odla en tunn film av galliumarsenid ovanpå kiselwafers, så kanske vi selektivt kan odla öar av galliumarsenid på kisel, säger Charles Huang, medgrundare och teknisk chef för Anadigics, ett chiptillverkningsföretag baserat i Warren, NJ . Varje ö skulle ha sin egen funktion-säg, skicka och ta emot meddelanden trådlöst, eller överföra data optiskt till omvärlden. Ändå skulle majoriteten av kislet vara tillgängligt för själva beräkningen eller lagringen av data. Sådana multibegåvade chips skulle till exempel kunna överföra data runt en mikroprocessor optiskt. I en dator rör sig data för närvarande elektroniskt både inom chips och mellan chips - mellan till exempel en mikroprocessor och ett minneschip - genom små ledningar som saktar ner allt. Ledningarna är den verkliga flaskhalsen i datorer, säger Ramdani. Om varje kiselchip kom med sina egna inbyggda lasrar gjorda av sammansatta halvledare för att flytta runt data, skulle sådana chip både fungera snabbare på egen hand och snabbare kunna byta större mängder data med andra chips. Det är för tidigt att utesluta möjligheten att något lurande fel kommer att skicka Motorolas växande investering i sin nya teknik till den stora högen av bra försök som gått dåligt. Visst finns det ett antal skeptiker där ute som fortfarande inte är övertygade om att företagets superchip någonsin kommer att leva upp till sin hype. Ändå, under de tre åren sedan Ramdanis ursprungliga uppenbarelse, har Motorola i allt högre grad engagerat sig för att se till att tekniken uppfyller sina många löften, och kastar sin betydande ekonomiska och tekniska tyngd bakom sig. Faktum är att Ramdanis spänning över genombrottet är långt ifrån avtagande. Som jag ser det kommer den här tekniken att revolutionera halvledarindustrin, säger han. Det kommer att tillåta oss att göra saker som vi för 20 år sedan bara kunde drömma om att göra. Pumpar upp silikon Ett urval av företag som tänjer på gränserna för halvledarmaterial
|