Yarıiletken silisyum çip (yonga) elektronik ve bilgisayarlaşma devrimini başlattı ve bu devrim ilk başladığı yıllardan bu yana dünyamızın, gündelik yaşantımızın çehresini oldukça değiştirdi. Silisyum entegreli devreler (İng. IC) bizim bağlı olduğumuz dijital dünyada erişeceğimiz ve paylaşacağımız bilgiye ulaşmamıza olanak sağlayan ve bizim kullandığımız kontrol sistemleri dahil hemen hemen her şeyin temelini oluşturmaktadır.
1947 yılında yapılan ilk silisyum transistörden beri bu devrimin ilerleme hızı muazzam olmuştur. İlk zamanlardaki entegre devrelerdeki transistörlerin sayısı birkaç bin kadardı ama günümüzde bu sayı iki milyardan daha fazla! Tek bir çip üzerindeki transistör sayılarının her yıl ikiye katlanacağını söyleyen Moore yasası öne sürüldüğünden beri 50 yıldır hâlâ geçerlidir.
Bununla beraber, silisyum elektroniği bir zorlukla karşı karşıyadır: en son yapılan devrelerin sadece 7 nm genişliğinde olduğu ölçülmüştür. Bu değer bir kırmızı kan hücresi (7500 nm) ile DNA’nın tek bir iplikçiği (2,5 nm) arasında bir yerdedir. Tek bir silisyum atomunun büyüklüğü 0,2 nm civarında olduğu düşünülürse bir atom genişliğinde devrelerle bu zorlu bir fiziksel sınır olacaktır ama silisyumun davranışı bu ölçeklerde kararsızlaşmakta ve kontrolü de zorlaşmaktadır.
Silisyum entegre devreleri daha fazla küçültmeden elektronikte yeni kazanımları üretmeye devam edilemez. Bu zorluğun neticesinde, elektronik aygıtların imalatını nasıl yaptığımızı yeniden düşünmemiz ya da silisyumun yerine alternatifini bulmamız gerekebilir.
Hız, Isı ve Işık
Bu zorluğu anlamak için, biz silisyumun elektronik için neden tercih edilen bir malzeme olduğuna bakmalıyız. Bu malzeme bol bulunma, görece işlemek için kolaylık gibi iyi özelliklerinin yanı sıra iyi fiziksel özelliklere ve iyi bir yalıtkan olan kararlı bir silikon temelli oksite yani silikondioksite (SiO2) sahiptir. Ancak bazı dezavantajları da vardır. Örneğin, tek bir çip içine çok fazla sayıda transistörün kombinasyonun oluşturduğu harika bir avantaj ile entegre devrelere bilginin hızlı işlenmesini sağlamaktadır. Ancak bu hız kritik bir şekilde elektronların yarıiletken malzeme için hareketinin ne kadar kolay olduğuna bağlıdır. Bu elektron hareketliliği olarak bilinmektedir ve silisyumdaki elektronların oldukça hareketli olmalarına rağmen, bu elektron hareketliliği galyum arsenik, indiyum arsenik ve indiyum antimon gibi diğer yarıiletken malzemelerde çok daha fazladır.
Yarıiletkenlerin kullanışlı iletken özellikleri sadece elektronların hareketini içermez, aynı zamanda elektron deşiklerinin yarıiletken içindeki hareketi de önemlidir. Bu deşikler aslında çekirdek etrafında dönen elektronların dışarı itildikten sonra kristal örgü içinde geride bıraktıkları boşluktur. Modern entegre devreler tamamlayıcı metal-oksit yarıiletken (İng. CMOS) adı verilen bir teknik kullanırlar. Bu teknik biri elektron diğer elektron deşiği kullanan bir transistör çiftini kullanmaktadır. Ancak, silisyumdaki elektron deşik hareketliliği oldukça zayıftır ve bu daha yüksek performans elde edilmesinde bir engel olarak karşımıza çıkar. Birkaç yıldır silisyum temelli elektronik aygıt üreticileri performansı artırmak için silikona germanyum eklemeyi denediler ve başardılar da.
Silisyumun ikinci problemi yüksek sıcaklıklarda performansının oldukça kötüleşmesidir. Milyarlarca transistör içeren modern entegre devreler önemli miktarlarda ısı üretirler. Bu konuda masaüstü bilgisayar işlemcilerine sarılı fanları ve soğutucuları düşünün, ısınan transistörleri soğutmak için de ayrıca çaba harcanır ve bu da verimli değildir. Galyum nitrür (GaN) ve silikon karbür (SiC) gibi alternatif yarıiletkenler yüksek sıcaklıklarda çok daha iyidirler. Dolayısıyla bu yarıiletken malzemeler daha hızlı olabilirler ve amplifikatörler gibi kritik yüksek-güç uygulamalarında silisyum yerine kullanılmak için uygun aday olabilirler – hatta olmuşlardır.
Son olarak, silisyum ışık iletiminde yine oldukça zayıftır. Laserler, ışık yayan diyotlar (LED) ve diğer fotonik aygıtlar günümüzde oldukça yaygın iken, bu aygıtlar silisyuma alternatif olan yarıiletken bileşiklerden yapılırlar. Bu iki ayrı endüstrinin gelişiminin bir sonucu olarak, elektronik silisyum ve fotonik için bileşik yarıiletkenler olarak iki ayrı yönelim oluşmuştur. Bu durum yıllardır var olan bir durumdur ama şimdi tek bir çip üzerine elektroniği ve fotoniği birleştirmenin gerekliliği biliniyor. Üreticiler için ise bu başka bir sorundur.
Gelecek İçin Yeni Malzemeler
Silisyumun elektronik performansının iyileştirilmesi gibi çok sayıda malzeme de araştırmaların odağı olmuştur ve belki de kısa vadede bu malzemelerden üçü silisyuma benzer sonuçlarla karşımıza çıkabilir.
İlki silisyumun zayıf elektron deşik hareketliliğini artıran germanyum malzemesi ile ilgili. Küçük bir miktar germanyum ile silisyumun elektron deşik hareketliliğini iyileştirmek mümkün ama daha fazla miktarlarda germanyum kullanmak ya da daha ilerisi tamamen germanyumdan oluşan transistörler daha iyi olabilir. Germanyum aslında yarıiletken aygıtlar için kullanılan ilk malzemeydi ve aslında bu gerçekten bir “geleceğe dönüş” hareketi oldu. Ama germanyum etrafında kurulan yeniden hizalama endüstrisi üreticiler için oldukça büyük bir problem olacaktır.
İkincisi ise metal oksitlerdir. Silikon dioksit uzun yıllardır transistörlerde kullanılmıştır ama bu silikon dioksit katmanının küçültülmesi sırasında malzemenin yalıtkan özelliklerinin kaybetmeye başlaması ile birlikte güvenilir olmayan transistör aygıtlarına yol açtı. Bu malzemenin yerine aday olarak hafniyum dioksit (HfO2) olsa da, nadir toprak elementlerinden olduğu için daha iyi yalıtkan özelliklere sahip alternatifler için arayışlar sürüyor.
Belki de en ilginci özellikle indiyum arsenik ve indiyum antimonlu III-V grubu bileşik yarıiletkenlerin kullanılmasıdır. Bu yarıiletkenler silisyumdan 50 kat daha fazla elektron hareketliliğine sahiptirler. Germanyum zengini transistörlerle ile birleştirildiğinde, bu yaklaşım büyük bir hız artışı sağlayabilir. Ancak, tüm bunlar göründüğü kadar basit değildir. Silisyum, germanyum, oksitler ve III-V grubu malzemelerin özellikleri kristalin bütünlüğüne bağlı olan kristal yapılardır. Dolayısıyla biz silisyum ile birlikte onları kolayca kullanamayız. Bu sorun yani kristal örgü uyumsuzluğu ile başa çıkmak teknolojinin en büyük sorunudur.
Silisyumun Farklı Tatları
Silisyumun sınırlamalarına karşın, silisyum elektroniği minimum maliyetle seri üretim aygıt pazarına, güvenilir bir şekilde uyarlanabilir olduğunu kanıtlamıştır. Yani “silisyumun sonu” veya alternatif malzemelerin olağanüstü gelecek vaad edici olması gibi manşetlere rağmen, silisyum hâlâ kraldır ve son derece iyi gelişen küresel endüstri tarafından desteklenmesiyle bizim ömrümüz süresince devrildiğini görmeyeceğiz.
Elektronikte ilerlemenin yönü silisyum ile diğer malzemeleri entegre etme üzerine olacaktır. IBM ile Intel gibi şirketler ve dünya çapında üniversite laboratuvarları bu zorluğu aşmak için çaba gösteriyor ve gelecek vaad edici sonuçlar III-V malzemeler, silisyum ve germanyum ile harmanlanan hibrit yaklaşımlar alınacaktır. Bileşik yarıiletken hâlihazırda laserlerde, LED’lerde, aydınlatma ve görüntüleme ile güneş panellerinde basitçe silisyumun yarışamadığı yerlerde önemli bir şekilde kullanılmaktadırlar. Daha gelişmiş bileşiklere elektronik aygıtlar giderek daha küçüldükçe ve daha düşük enerji kullandıkça ihtiyaç duyulacaktır.
Elektroniğin geleceği parlaktır ve bu gelecek geniş ölçüde silisyum üzerine olacaktır ama şimdi silisyum çok sayıda farklı tatlardan ileri gelmektedir.
Bu makale, Sheffield Üniversitesi Yarıiletken Malzemeler bölümünde Prof. Mark Hopkinson tarafından TheConversation sitesi için hazırladığı “With silicon pushed to its limits, what will power the next electronics revolution?” başlıklı yazı baz alınarak hazırlanmıştır.
Gökhan Atmaca, Bilim Uzmanı (MSc.)
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca
Görsel: rbulmahn (flickr)
