Motorolas Superchip

Als der Physiker Jamal Ramdani 1999 während eines Urlaubs an der spanischen Küste am Strand lag, erlebte er eine Offenbarung. Als sich der Sand seinen Körperkonturen anpasste, stellte sich Ramdani, ein Forscher bei den Motorola Labs in Tempe, AZ, plötzlich eine Lösung für ein Rätsel vor, das die Halbleiterindustrie 30 Jahre lang verwirrt hatte: Wie man billiges Silizium mit Hochgeschwindigkeits-, lichtemittierende, aber weitaus teurere halbleitende Materialien wie Galliumarsenid, alles auf einem einzigen Wafer.

Da die Materialien physikalisch nicht aufeinander abgestimmt sind, war es praktisch unmöglich, einen Chip mit optimalen elektronischen und optischen Eigenschaften übereinander zu schichten. Es könnte der Sand an diesem spanischen Strand gewesen sein, der aus demselben Mineral besteht, aus dem Siliziumwafer gewonnen werden, der Ramdani den entscheidenden Hinweis gegeben hat. Jedenfalls, erinnert sich Ramdani, kam ich zurück nach Phoenix, lieh mir eine Maschine zum Züchten von Verbindungshalbleitern, und in zwei oder drei Aufnahmen hatten wir Galliumarsenid auf Silizium.

Die Vorteile der Funktionalität von Galliumarsenid – insbesondere seine Fähigkeit, drahtlose Kommunikation zu handhaben und Licht zu emittieren – auf einem kostengünstigen Siliziumchip waren den Führungskräften von Motorola nicht entgangen. Hochleistungschips aus Galliumarsenid und anderen sogenannten Verbindungshalbleitern sind weit verbreitet in Mobiltelefonen bis hin zu Schaltern in optischen Kommunikationsnetzen. Zumindest könnte Ramdanis Erfindung bedeuten, diese teuren Chips durch weit weniger teure Gallium-Arsenid-auf-Silizium-Chips zu ersetzen. In den zwei Jahren seit dem Durchbruch von Ramdani hat Motorola über 300 Patente für die Technologie angemeldet; Im vergangenen Herbst nutzte das Unternehmen die Methode von Ramdani, um Prototyp-Chips zur Verstärkung von Signalen in Mobiltelefonen zu bauen. Um das neue Material zu kommerzialisieren, hat Motorola eine hundertprozentige Tochtergesellschaft-Thoughtbeam in Austin, TX, gegründet und verspricht, dass die neuen Materialien innerhalb der nächsten zwei Jahre ihren Weg in elektronische und optische Geräte finden werden.



Die Auswirkungen der Chiptechnologie von Motorola könnten weit über billigere Mobiltelefone oder optische Geräte hinausgehen. Wenn Sie heute einen schnellen, kostengünstigen Mikroprozessor benötigen, benötigen Sie einen Siliziumchip; Wenn ein Chip optische Funktionen oder hochfrequente Funksignale übernehmen soll, benötigt man Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid oder Indiumphosphid. Infolgedessen erfordern Geräte wie Mobiltelefone und Kommunikationsnetzschalter mehrere Halbleiterbauelemente. Einige Experten sagen voraus, dass die Motorola-Technologie es schließlich ermöglichen könnte, die Funktionen von Galliumarsenid und Silizium auf einem einzigen Chip zu integrieren und jedes der Materialien für das zu verwenden, was es am besten kann. Das Ergebnis wäre ein Superchip. Anstatt mehrere Chips in einem DVD-Player zu haben, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen – Licht erzeugen, um die Disc zu lesen, Eingaben von Zuschauern auffangen, digitale Daten in Bilder und Ton dekodieren – könnte ein einziger Chip alles bewältigen.

Kumpel der Roboterpreis

Die Halbleiterindustrie träumt seit Jahrzehnten von einem solchen Superchip – und eine Reihe von Forschern verfolgen diesen Traum aktiv. Eugene Fitzgerald beispielsweise, Materialwissenschaftler am MIT, beschäftigt sich seit über einem Jahrzehnt mit dem Problem und hat Beschreibungen seiner eigenen Technik zur Züchtung von Galliumarsenid auf Silizium veröffentlicht. Er und viele andere Skeptiker fragen sich, ob sich die Motorola-Technologie als Grand Slam erweisen wird. Alle paar Jahre gebe es eine sogenannte Lösung, aber bei näherer Betrachtung stelle man fest, dass es gar keine ist, sagt Fitzgerald.

Andere sind jedoch vom Potenzial von Ramdanis Durchbruch so beeindruckt, dass sie glauben, dass die Technologie die Dynamik der Chipherstellung grundlegend verändern und endlich die Materialkluft zwischen Silizium und Verbindungshalbleitern überbrücken könnte, die in der Branche zu einer grundlegenden Tatsache geworden ist. Laut Steve Cullen, Direktor und leitender Analyst für Halbleiterforschungsdienste bei der Cahners In-Stat Group, könnte der Fortschritt von Motorola als wichtiger Wendepunkt für die Halbleiterindustrie in die Geschichte eingehen.

Die Cousins ​​von Silicon

Silizium ist das Material der Wahl für die überwiegende Mehrheit der Chips, die in Mikroprozessanwendungen verwendet werden; Es ist einfach zu handhaben, und die Hersteller haben gelernt, die winzigen Schaltkreise einzuarbeiten, die die heutigen schnellen und kostengünstigen Computer ermöglichen. Aber trotz seiner Berühmtheit kann Silizium nicht mit den drahtlosen und optischen Fähigkeiten teurerer Halbleiter wie Galliumarsenid und Indiumphosphid mithalten.

Diese Materialien werden Verbindungshalbleiter genannt, weil ihre Kristalle – im Gegensatz zu Silizium – aus mehr als einem Element bestehen. Diese komplexere Zusammensetzung verleiht ihnen oft wünschenswerte körperliche Eigenschaften. Da sich beispielsweise Elektronen in vielen Verbindungshalbleitern schneller bewegen, können die Materialien höherfrequente Funksignale und damit größere Datenmengen verarbeiten .

Und im Gegensatz zu Silizium können viele dieser Verbindungshalbleiter Lichtstrahlen aussenden, wenn sie nur wenig Strom zugeführt werden. Möglich machen das Festkörperlaser, die die kleinen Informationen dicht gepackt auf CDs oder DVDs lesen können. Optische Hochgeschwindigkeitskommunikationsnetze beruhen auch auf Verbindungshalbleitern, um optische Informationen in elektronische Informationen umzuwandeln und umgekehrt, an den Tausenden von Orten, an denen optische Fasern auf elektronische Schalter und Computer treffen.

Die gleiche Komplexität, die Verbindungshalbleiter so nützlich macht, macht sie jedoch auch spröde, schwer zu synthetisieren, schwer in andere Materialien zu integrieren – und sehr teuer. Derzeit kostet ein 15-Zentimeter-Wafer aus Galliumarsenid etwa 300 US-Dollar, während ein 20-Zentimeter-Siliziumwafer etwa ein Zehntel so viel kosten kann. Der Durchbruch von Ramdani beinhaltet eine Möglichkeit, eine Patina aus Galliumarsenid auf einem Wafer aus Standard-Silizium abzuscheiden. Die oberste Schicht aus Galliumarsenid bietet all die einzigartigen Fähigkeiten dieses Materials, aber das Aufbringen auf ein Siliziumsubstrat macht es viel einfacher zu handhaben und billiger in der Herstellung.

Hat Spotify Live-Radio?

Auf den ersten Blick klingt das Verfahren so einfach, als würde man Erdnussbutter auf eine Scheibe Brot streichen. Aber in der Praxis ist es viel schwieriger. Das grundlegende Problem, sagt Fitzgerald, besteht darin, dass die zugrunde liegenden kristallinen Strukturen von Silizium und Galliumarsenid so unterschiedlich sind, dass das Übereinanderschichten wie das Stapeln von Grapefruits auf einem Orangenbett ist. Sie bekommen Außenseiter und zusätzliche Räume, sagt Fitzgerald. Diese Defekte im Kristall neigen dazu, Elektronen zu verfangen, wodurch die Funktionen der Halbleitervorrichtungen unterbrochen werden.

Bisher hat das Mismatch-Problem so ziemlich jeden besiegt, der jemals versucht hat, Gallium-Arsenid-auf-Silizium-Wafer herzustellen. Das erklärt auch, warum viele Forscher bei Unternehmen wie IBM und dem Halbleitertechnologie-Startup AmberWave Systems aus Salem, NH, einen alternativen Ansatz für vielseitigere und leistungsfähigere Halbleiter verfolgen: Silizium so zu optimieren, dass es sich mehr wie seine schickeren Cousins ​​verhält. Auf diese Weise profitieren sie von den Kostenvorteilen der 50 Jahre alten Infrastruktur der Siliziumherstellungstechnologie und erreichen dennoch die Leistungsfähigkeit von Verbindungshalbleitern.

AmberWave Systems, das von Fitzgerald vom MIT mitbegründet wurde, hat eine Form eines verspannten Siliziumkristalls entwickelt, in dem sich Elektronen schneller bewegen als in normalem Silizium. Das Material ermöglicht schnellere Transistoren, also beispielsweise höherfrequente Funksignalprozessoren. Die Forscher züchten eine Schicht aus einer Silizium-Germanium-Legierung auf einen Siliziumwafer und überziehen die Legierung dann mit einer dünnen Siliziumschicht. Da die Abstände zwischen den Atomen im Silizium-Germanium-Kristall größer sind als im Silizium, müssen sich die Siliziumatome in der oberen Schicht dehnen, um die Abstände zwischen den Atomen im darunter liegenden Silizium-Germanium anzupassen. Wenn die Siliziumatome weiter voneinander entfernt sind, bewegen sich die Elektronen freier und damit schneller.

Tatsächlich hat diese kleine Kristalltechnik zu Proben geführt, in denen sich Elektronen bis zu 80 Prozent schneller bewegen als in gewöhnlichen Siliziumwafern. Im nächsten Jahr hofft AmberWave, dass Geräte aus diesem Material auf den Markt kommen – etwa Mikroprozessoren oder signalverstärkende Chips in Mobiltelefonen.

Superchip Zutaten

Forscher von Motorola träumen davon, eines Tages Mehrzweck-Chips (oben) mit integrierten optischen und drahtlosen Geräten aus Galliumarsenid und einem Mikroprozessor herzustellen, der aus dem freigelegten Siliziumsubstrat geschnitzt wurde.

Diesen Traum will das Unternehmen mit seiner neuen Technologie verwirklichen. Eine innere Schicht aus Siliziumdioxid und Strontiumtitanat bildet eine molekulare Brücke zwischen den unterschiedlichen Kristallgrößen von Silizium und Galliumarsenid. (Illustration von Slim Films)

Urlaubsvisionen

Was ist ein Algorithmus?

Eine Optimierung von Silizium könnte es schneller machen, aber für optische Fähigkeiten benötigen Sie immer noch Verbindungshalbleiter. Während eine Reihe von Forschern versucht, Verbindungshalbleiter auf Silizium zu züchten, glaubt Motorola, dass es im Rennen um die Kommerzialisierung der Technologie einen Vorsprung hat – dank Ramdani und der gut etablierten Fertigungs- und Marketinginfrastruktur des Unternehmens.

Die Geschichte von Ramdanis Durchbruch beginnt eigentlich mindestens ein Jahr vor seinem schicksalhaften Spanienurlaub. Ramdani war Teil einer Motorola-Forschungsgruppe, die versuchte, Silizium schneller zu machen, als er eine zufällige Entdeckung machte, die zum Gallium-Arsenid-auf-Silizium-Projekt führte. Damals beschäftigten er und seine Kollegen sich mit der dünnen, glasartigen Schicht aus Siliziumdioxid, die sich auf Silizium bildet, wenn es bei der Chipbearbeitung Sauerstoff ausgesetzt wird. Diese Schicht, die als Dielektrikum bekannt ist, ist eine wichtige Chipkomponente, da sie es einem Transistor ermöglicht, den elektrischen Zustand eines anderen zu steuern und gleichzeitig zu verhindern, dass Elektronen zwischen ihnen lecken.

Aber wenn Transistoren kleiner werden und diese Schicht dünner wird, wird sie anfälliger für das Austreten von Elektronen. Um dieses Problem zu lösen, experimentierten Ramdani und seine Kollegen Ravi Dropad und Jimmy Yu mit einer Alternative zu Siliziumdioxid – Strontiumtitanat –, die die Leistung von Silizium-basierten Chips verbessern könnte. Doch als die Motorola-Forscher hauchdünn Strontiumtitanat auf einer Siliziumoberfläche deponierten, bildete sich eine dazwischenliegende Schicht aus Siliziumdioxid. Es war, als würde man ein Fenster versehentlich mit einer Schicht schwarzer Farbe bedecken, wenn man es nur leicht tönen wollte.

Und dann besuchte Ramdani diesen spanischen Strand. Während er sich auf dem Sand entspannte, erkannte er, dass die Siliziumdioxidschicht zusammen mit dem Strontiumtitanat einen weitaus größeren Zweck erfüllen könnte, als er sich ursprünglich vorgestellt hatte: Zwischenschichten, die, wenn sie zwischen Silizium und Galliumarsenid eingebettet sind, die kristalline Fehlanpassung zwischen . ausgleichen könnten die beiden Halbleiter. Das liegt daran, dass die Abstände zwischen den Atomen in Strontiumtitanat auf der sich darunter bildenden Siliziumdioxidschicht länger sind als in Silizium, aber kürzer als in Galliumarsenid. Tatsächlich ist es das Siliziumdioxid, das dazu führt, dass die Atome in Strontiumtitanat vollständig relaxieren und eine Konfiguration annehmen, die eher der der oben genannten Galliumarsenid-Atome entspricht. Innerhalb weniger Tage nach seiner Rückkehr aus dem Urlaub gelang es Ramdani und seinem Ingenieurteam, mit diesen Zwischenschichten Galliumarsenid auf Silizium zu züchten (siehe Superchip-Zutaten) .

Zusammengesetzte Zinsen

Während die Forscher von Motorola in den kommenden Jahren ihre Technologie verfeinern und lernen, andere Verbindungshalbleiter auf Silizium zu züchten, dürften die Anwendungsmöglichkeiten des Materials weiter wachsen. Nach Ansicht von Ramdani und seinen Kollegen könnte dieselbe Art von Innenschicht, mit der sie Galliumarsenid mit Silizium verbinden, verwendet werden, um Indiumphosphid oder eine beliebige Anzahl anderer Hochleistungs-Verbindungshalbleiter auf demselben kostengünstigen Siliziumsubstrat zu züchten. Jeder dieser Verbindungshalbleiter hat seine eigene Persönlichkeit – seine eigene Geschwindigkeit und Lichtemissionseigenschaften.

Eine solche Technologie könnte auch zu neuen Arten von Geräten oder Anwendungen führen, die zuvor nicht kosteneffektiv waren. Billige Quellen für Hochleistungschips könnten es beispielsweise Designern erleichtern, Haushaltsgeräte mit drahtloser Kommunikation auszustatten und sie mit dem Internet zu verbinden. Visionen von Waschmaschinen, die direkt mit Service-Centern kommunizieren, wenn sie auf Hochtouren gehen, oder Kühlschränke, die Lebensmittelbestellungen in den Supermarkt rufen, könnten billiger, wenn nicht wünschenswerter werden. Günstigere lichtemittierende und lichtdetektierende Chips könnten die Wirtschaftlichkeit von Glasfaserverbindungen für den direkten Anschluss von Heimcomputern, Videokameras und anderen Haushaltsgeräten an das Internet verändern.

Darüber hinaus teilen Chiphersteller wie Motorola und AmberWave Systems denselben längerfristigen Techno-Traum – einen All-in-One-Wafer. In dieser Vision werden Verbindungshalbleiter nicht nur auf ein Siliziumsubstrat geschichtet, sondern die verschiedenen Halbleiter werden gemeinsam auf dem Chip integriert. Wenn wir einen dünnen Galliumarsenidfilm auf Siliziumwafern züchten können, dann können wir vielleicht selektiv Galliumarsenidinseln auf Silizium züchten, sagt Charles Huang, Mitbegründer und Chief Technical Officer von Anadigics, einem Chiphersteller mit Sitz in Warren, New Jersey .

Jede Insel hätte ihre eigene Funktion, beispielsweise das drahtlose Senden und Empfangen von Nachrichten oder die optische Übertragung von Daten an die Außenwelt. Der Großteil des Siliziums würde jedoch für die eigentliche Berechnung oder Speicherung von Daten zur Verfügung stehen. Solche Multitalente wären beispielsweise in der Lage, Daten optisch um einen Mikroprozessor zu transportieren. In einem Computer bewegen sich Daten derzeit elektronisch sowohl innerhalb von Chips als auch zwischen Chips – beispielsweise zwischen einem Mikroprozessor und einem Speicherchip – durch winzige Drähte, die alles verlangsamen. Die Kabel sind der wahre Flaschenhals bei Computern, sagt Ramdani. Wenn jeder Siliziumchip einen eigenen Onboard-Laser aus Verbindungshalbleitern zum Bewegen von Daten hätte, würden solche Chips sowohl eigenständig schneller arbeiten als auch größere Datenmengen schneller mit anderen Chips austauschen können.

Es ist noch zu früh, um auszuschließen, dass Motorolas wachsende Investitionen in seine neue Technologie durch einen lauernden Fehler in den riesigen Haufen guter Versuche fehlgeschlagen sind. Sicherlich gibt es eine Reihe von Skeptikern, die immer noch nicht davon überzeugt sind, dass der Superchip des Unternehmens jemals seinem Hype gerecht werden wird. Trotzdem hat sich Motorola in den drei Jahren seit der ursprünglichen Offenbarung von Ramdani zunehmend dafür eingesetzt, dass die Technologie ihre vielen Versprechen einhält, und hat ihr erhebliches finanzielles und technisches Gewicht hinter sich gelassen.

Tatsächlich lässt Ramdanis Vorfreude auf den Durchbruch noch lange nicht nach. Aus meiner Sicht wird diese Technologie die Halbleiterindustrie revolutionieren, sagt er. Es wird uns ermöglichen, Dinge zu tun, von denen wir vor 20 Jahren nur träumen konnten.

Donald Trump auf der NASA

Aufpumpen von Silizium

Eine Auswahl von Unternehmen, die die Grenzen von Halbleitermaterialien überschreiten

Begleitung Ort Technologie
Gedankenstrahl Austin, TX Verbundhalbleiter auf Silizium
AmberWave-Systeme Salem, NH Gespanntes Silizium
IBM Watson Research Center Yorktown Heights, NY Gespanntes Silizium
Toshiba Tokyo, Japan Gespanntes Silizium
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