Perché l'80% dei chip è prodotto su wafer di silicio?

Oggi vediamo che più dell'80% dei chip sono prodotti da wafer di silicio, anziché con i materiali più diffusi oggi come il carburo di silicio, l'arseniuro di gallio, il nitruro di gallio, ecc. Perché?
Criteri di scelta dei materiali

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Ci sono diversi fattori principali da considerare quando si sceglie un materiale da utilizzare per produrre un chip: Proprietà elettroniche: il materiale deve avere buone proprietà semiconduttrici in grado di controllare efficacemente il movimento degli elettroni. Struttura cristallina: i materiali devono avere una struttura monocristallina di alta qualità per ridurre i difetti e migliorare le prestazioni del chip. Costo: il costo dei materiali deve essere relativamente basso per la produzione di massa. Lavorabilità: i materiali devono essere facili da lavorare e preparare e in grado di adattarsi ai processi di produzione esistenti. Stabilità termica: i materiali devono essere in grado di resistere ai cambiamenti delle prestazioni ad alte temperature durante la produzione.

Il motivo per cui il silicio è il materiale preferito
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2.1 Proprietà dei semiconduttori
Il silicio è un eccellente materiale semiconduttore con una banda proibita di 1,12 eV, moderata e adatta al funzionamento della maggior parte dei dispositivi elettronici. Il silicio ha anche una buona mobilità degli elettroni e una buona mobilità delle lacune, che lo rendono adatto alla produzione di chip ad alte prestazioni.

2.2 Struttura cristallina

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Il silicio può essere utilizzato per produrre cristalli singoli di alta qualità e di grandi dimensioni mediante processi come il metodo Czochralski e il metodo di fusione a zone. La struttura cristallina del silicio è perfetta e i difetti reticolari sono pochi, il che favorisce la produzione di circuiti integrati ad alte prestazioni.

2.3 Costo
Il silicio è il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre (circa il 26,7%) e la sua materia prima (il quarzo) è molto abbondante ed economica. Rispetto ad altri materiali semiconduttori come l'arseniuro di gallio (GaAs) e il carburo di silicio (SiC), i costi di estrazione e preparazione del silicio sono notevolmente inferiori.

2.4 Lavorabilità
Il silicio ha una buona resistenza meccanica e stabilità chimica, che gli consentono di resistere a processi di produzione complessi. I processi di produzione dei semiconduttori esistenti (litografia, diffusione, impiantazione ionica, ecc.) sono tutti sviluppati sulla base di materiali in silicio, quindi la tecnologia di lavorazione dei wafer di silicio è matura e a basso costo.

2.5 Stabilità termica

Il silicio ha un'eccellente stabilità alle alte temperature, in grado di mantenere la sua struttura cristallina e le sue proprietà stabili a temperature fino a 1100 gradi. Ciò consente al silicio di adattarsi alle esigenze delle fasi di processo ad alta temperatura nella moderna produzione di chip.

Sfide con altri materiali
Sebbene anche altri materiali come l'arseniuro di gallio (GaAs), il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) abbiano eccellenti proprietà semiconduttrici, presentano alcune sfide in termini di costi, lavorabilità, stabilità termica, ecc.:
Arseniuro di gallio (GaAs): elevata mobilità elettronica, ma fragilità, costi di produzione elevati e cristalli singoli di grandi dimensioni difficili da preparare.

Carburo di silicio (SiC): ampio gap di banda per applicazioni ad alta temperatura e alta pressione, ma cristalli difficili da far crescere e costosi.

Nitruro di gallio (GaN): ha eccellenti proprietà elettroniche e stabilità termica, ma il materiale è complesso da sintetizzare e costoso.

In effetti, il silicio come materiale semiconduttore presenta molti vantaggi, tra cui buone proprietà semiconduttrici, struttura cristallina di alta qualità, basso costo, tecnologia di lavorazione matura ed eccellente stabilità termica. Questi fattori rendono il silicio il materiale preferito per la produzione di chip, sebbene anche altri materiali presentino vantaggi unici in aree di applicazione specifiche.