Jarenlang werd de vooruitgang van de halfgeleidertechnologie grotendeels beschreven door procesknooppunten.

10 nm werd 7 nm, vervolgens 5 nm, 3 nm en steeds geavanceerdere transistorarchitecturen.

Maar naarmate AI-versnellers, hoogwaardige computersystemen en geavanceerde verpakkingen blijven schalen, is transistordichtheid niet langer de enige factor die de prestaties van het systeem bepaalt.

De halfgeleiderindustrie gaat een nieuw stadium in waarin materialen, verpakkingen, interconnecties, stroomlevering en thermisch beheer net zo belangrijk worden als transistor-scaling.

Deze overgang zorgt voor een toenemende belangstelling voor een breed scala aan halfgeleidermaterialen, waaronder:

• van silicium op isolatie (SOI)
• Glassubstraten
• Siliciumcarbide (SiC)
• Galliumnitride (GaN)
• Aluminiumnitride (AlN) keramiek
• keramiek van siliciumcarbide
• Materialen voor het verspreiden van warmte op basis van diamanten
• met een breedte van niet meer dan 50 mm

Deze materialen beantwoorden verschillende technische uitdagingen, maar ze worden steeds meer met elkaar verbonden door één gemeenschappelijke factor:

AI- en HPC-systemen vereisen meer bandbreedte, hogere energie-efficiëntie, dichtere verpakking en betere thermische prestaties.

De knelpunten van de halfgeleider gaan verder dan transistors

Moderne AI-processors bevatten enorme rekenkrachten.

De toenemende rekenkracht brengt echter ook een aantal nieuwe beperkingen met zich mee.

Twee van de belangrijkste zijn:

gegevensverplaatsing

en

warmteafvoer.

Een AI-versneller moet voortdurend enorme hoeveelheden gegevens uitwisselen met HBM, naburige processors, netwerkinterfaces en opslagsystemen.

Tegelijkertijd genereren deze apparaten steeds meer geconcentreerde warmte in geavanceerde verpakkingen.

Als gevolg hiervan is het alleen al verbeteren van de prestaties van de transistor niet meer voldoende.

Het hele halfgeleidersysteem moet worden geoptimaliseerd.

Dat omvat:

• optische interconnecties
• geavanceerde substraten
• Integratie van HBM
• omzetting van vermogen
• thermische interfaces
• warmteverspreiders
• verpakkingsmaterialen

Deze overgang op systeemniveau schept nieuwe mogelijkheden voor halfgeleidermaterialen die voorheen relatief gespecialiseerde markten bezetten.

1Fotonische SOI wordt steeds belangrijker voor AI-interconnecties

Silicon-on-isolator is geen nieuw halfgeleidermateriaal.

SOI-wafers worden al lang gebruikt voor toepassingen zoals:

• MEMS
• RF-apparaten
• sensoren
• speciaal geïntegreerde schakelingen

De AI-infrastructuur creëert echter nog een belangrijke groeimogelijkheid:

siliciumfotonica.

Naarmate AI-clusters groter worden, worden traditionele elektrische interconnecties steeds vaker geconfronteerd met uitdagingen in verband met:

• Transmissieverlies
• energieverbruik
• bandbreedte dichtheid
• signaalintegriteit
• transmissieafstand

Koperen verbindingen blijven essentieel, maar de optische communicatie wordt steeds aantrekkelijker naarmate de bandbreedtevereisten toenemen.

Dit is een van de redenen waarom co-packaged optics, of CPO, zoveel aandacht heeft gekregen.

In plaats van volledig op elektrische verbindingen tussen hoogwaardige processoren en optische modules te vertrouwen, brengt CPO optische motoren dichter bij het switchen of het berekenen van silicium.

Het doel is de lengte van hogesnelheidsverbindingen te verkleinen en meer gegevens optisch over te dragen.

SOI is een van de belangrijkste substraatplatformen voor siliciumfotonica.

Waarom SOI goed werkt voor siliciumfotonica

Een typische SOI-wafer voor fotonica bevat:

• een dun siliconen laag
• een begraven oxidelaag
• een siliconen wafer met handvat

De bovenste siliciumlaag kan in optische golfgeleiders worden gemodelleerd.

De begraven oxide zorgt voor optische isolatie tussen de siliciumgolfgeleider en het onderliggende siliciumsubstraat.

Veel voorkomende siliciumfotonische structuren zijn:

• golfleiders
• met een vermogen van niet meer dan 30 W
• modulatoren
• optische koppelingen
• Mach-Zehnder interferometers
• integratieplatformen voor fotodetectoren

In veel commerciële fotonica-platformen is de siliconenlaag slechts een paar honderd nanometer dik.

Bijvoorbeeld, ongeveer 220 nm silicium op een micrometer-schaal begraven oxide wordt veel gebruikt in siliciumfotonica.

Dit betekent dat de SOI-wafervereisten voor fotonica zeer verschillen van die voor MEMS of conventionele RF-toepassingen.

Vooral de uniformiteit van de dikte, de oppervlaktekwaliteit en de BOX-controle worden belangrijk.

AI-datacenters kunnen meer vraag naar fotonica-SOI stimuleren

Het belang van siliciumfotonica is nauw verbonden met de groei van AI-datacenters.

AI clusters vereisen extreem hoge snelheid communicatie:

binnen de server

tussen de gaspedaal

tussen rekken

en steeds meer

Het is de bedoeling van de Commissie dat de Commissie in het kader van haar werkzaamheden de volgende maatregelen neemt:

Naarmate de elektrische communicatie praktische grenzen in vermogen en bandbreedte dichtheid nadert, worden optische interconnecttechnologieën belangrijker.

Dit betekent dat SOI in toenemende mate niet alleen traditionele halfgeleiderapparaten kan bedienen, maar ook de optische communicatie-infrastructuur rondom AI-processors.

Met andere woorden:

De AI-boom vergroot niet alleen de vraag naar computerwafers, maar ook de vraag naar de materialen die gegevens tussen computerapparaten verplaatsen.

2Glassubstraten komen steeds dichter bij geavanceerde verpakkingen

Een ander materiaal dat steeds meer aandacht krijgt, is glas.

Glas wordt al vele jaren in de elektronica- en halfgeleiderindustrie gebruikt.

Tot de toepassingen behoren:

• draagwafels
• MEMS
• optische componenten
• tijdelijke binding
• beeldschermtechnologie

Maar geavanceerde verpakkingen creëren een nieuwe kans:

glaskernsubstraten en glasinterposers.

Moderne AI-pakketten kunnen de volgende combinaties bevatten:

• GPU of AI versneller sterft
• meervoudige kippen
• HBM-stapels
• tussenpersoon
• verpakkingssubstraten

Naarmate de afmetingen van het pakket toenemen, wordt dimensionale stabiliteit steeds belangrijker.

Traditionele organische substraatmaterialen kunnen onder meer worden geconfronteerd met:

• Warpage
• thermische uitbreiding
• fijne lijnpatronen
• dimensiebeheersing voor grote oppervlakten

Glas biedt verschillende aantrekkelijke eigenschappen voor deze toepassingen.

Waarom glas interessant is voor geavanceerde verpakkingen

Glas kan voorzien van:

• uitstekende dimensionale stabiliteit
• gecontroleerde coëfficiënt van thermische uitbreiding
• gladde oppervlakken
• goede elektrische isolatie
• compatibiliteit met grootpaneelverwerking
• potentieel voor fijnspitsverbindingsstructuren

Een van de belangrijkste mogelijkmakende technologieën is:

TGV via Glass.

Een TGV creëert elektrische verbindingen door de dikte van een glazen substraat.

Na de vorming kunnen de gaten worden gemetalliseerd om verticale elektrische verbindingen te maken.

Dit maakt glas mogelijk geschikt voor:

• glasinterposers
• glaskernsubstraten
• RF-pakketten
• geavanceerde chiplet-integratie
• Verpakking van de AI-versneller

Voor glasverpakkingen is echter meer nodig dan alleen een glazen wafer te produceren.

De volledige productieketen kan bestaan uit:

glasbereiding
→ precisieverdunning
→ TGV-vorming
→ metallisatie
→ herverdelingslagen
→ binding
→ geavanceerde verpakkingen

Bedrijven die de volledige procesketen kunnen beheersen, kunnen meer waarde opbrengen dan leveranciers van ruw glas alleen.

3HBM verandert warmtebeheer in een materiaalprobleem

High Bandwidth Memory is een van de bepalende technologieën van AI-hardware geworden.

HBM verbetert de bandbreedte van het geheugen door meerdere DRAM-stalen verticaal op te stapelen.

Hierdoor kunnen veel meer gegevens tussen geheugen en processoren verplaatst worden dan met conventionele geheugenarchitecturen.

Maar er is een onvermijdelijk gevolg:

Het opstapelen maakt het thermisch beheer moeilijker.

Meerdere silicium matrices genereren warmte in een compacte verticale structuur.

Tegelijkertijd worden HBM-stacks meestal zeer dicht bij krachtige AI-versnellers geplaatst.

Een geavanceerd AI-pakket kan daarom meerdere belangrijke warmtebronnen in een beperkt gebied bevatten.

De thermische prestaties worden een ontwerpprobleem op pakketniveau.

Geavanceerde verpakkingen hebben betere warmteverspreidende materialen nodig

Traditioneel koper blijft uiterst belangrijk vanwege zijn:

• hoge warmtegeleidbaarheid
• rijpe productie
• lage relatieve kosten
• goede bewerkbaarheid

Toekomstige krachtige verpakkingen kunnen echter materialen met extra mogelijkheden vereisen.

Potentiële materialen zijn:

• AlN keramiek
• SiC-keramiek
• Cu-Mo.
• Cu-W
• CVD-diamant
• met een breedte van niet meer dan 50 mm
• geavanceerde thermische interface materialen

De belangrijkste materiaalparameters omvatten steeds vaker:

• thermische geleiding
• coëfficiënt van thermische uitbreiding
• thermische interfacweerstand
• vlakheid
• mechanische stijfheid
• betrouwbaarheid onder thermische cyclus

Het thermische probleem wordt dus niet langer opgelost door eenvoudig een grotere hitteafvoer te plaatsen.

Het begint veel dichter bij de halfgeleider.

4Waarom Diamond terugkeert naar de thermische discussie over halfgeleiders

Diamant krijgt hernieuwde aandacht vanwege één uitzonderlijke eigenschap:

zeer hoge thermische geleidbaarheid.

Synthetische diamanten van hoge kwaliteit kunnen veel efficiënter warmte geleiden dan veel conventionele materialen voor thermisch beheer.

Dit maakt diamant aantrekkelijk voor het verwijderen van geconcentreerde warmte uit krachtige apparaten.

Potentiële toepassingen zijn:

• AI-versnellers
• HPC-processors
• GaN-RF-apparaten
• met een vermogen van niet meer dan 50 W
• lasersystemen

Maar pure diamant heeft ook nadelen.

Hieronder vallen:

• hoge kosten
• moeilijk bewerken
• moeilijke metallisatie
• een uitdagende band
• beperkte economie op groot gebied

Daarom onderzoeken onderzoekers en materiaalleveranciers steeds meer hybride oplossingen.

Een belangrijk voorbeeld is:

Diamant-koper composiet.

Waarom diamantkoper interessant is

Diamant-kopercomposites combineren diamantdeeltjes met een kopermatrix.

Het doel is om twee eigenschappen tegelijkertijd te bereiken:

een hogere thermische geleidbaarheid

en

een lagere thermische expansie dan conventionele koper.

Dit is aantrekkelijk omdat halfgeleiderverpakkingen vaak geconfronteerd worden met een afweging.

Koper geleidt warmte goed, maar heeft een relatief hoge koëfficiënt van thermische uitbreiding.

Materialen met een lage CTE zoals wolfraam en molybdeen kunnen de dimensionale stabiliteit verbeteren, maar verminderen vaak de thermische geleidbaarheid wanneer ze aan koper worden toegevoegd.

Diamond biedt een andere mogelijkheid omdat het beide heeft:

• extreem hoge warmtegeleidbaarheid
• zeer lage thermische expansie

In beginsel kunnen diamant/Cu-composites daarom de warmtegeleidbaarheid verbeteren en tegelijkertijd de CTE verminderen.

De interface is belangrijker dan de diamantinhoud

Een diamant-kopercomposit is niet automatisch van hoge prestaties alleen maar omdat het een groot percentage diamant bevat.

Het moeilijkste probleem is de interface tussen:

diamanten

en

Koper.

Koper bindt zich van nature niet efficiënt aan diamant.

Slecht contact met de interface kan aanzienlijke thermische weerstand veroorzaken.

Dit betekent dat warmte niet efficiënt kan verplaatsen van:

koper → diamant → koper.

De fabrikanten gebruiken daarom technieken voor het ontwerpen van interfaces met carbidevormende elementen, zoals:

• Ti
• Cr
• W
• Mo.
• Zr

Deze elementen kunnen de binding tussen diamant en koper verbeteren.

Ook de interfaceschaal moet echter zorgvuldig worden gecontroleerd.

Als het te dik wordt, kan de interface zelf een thermische barrière worden.

Dit illustreert een belangrijke trend in geavanceerde halfgeleidermaterialen:

Toekomstige prestaties zijn in toenemende mate afhankelijk van interface-engineering, niet alleen van de eigenschappen van bulkmateriaal.

5SiC blijft een belangrijk halfgeleidermateriaal

Hoewel AI enorm veel aandacht krijgt, blijft elektrificatie een andere belangrijke transitie van halfgeleiders stimuleren:

de uitbreiding van siliciumcarbide-energieapparaten.

SiC is belangrijk geworden voor toepassingen zoals:

• elektrische voertuigen
• Elektrische tractieomvormers
• snel opladen
• zonne-inverters
• energieopslag
• industriële stroomsystemen
• hoogspanningsvermogenconversie

In vergelijking met conventionele siliciumkernapparaten kan SiC:

• hogere werkspanning
• hogere schakelfrequentie
• lagere overstapverliezen
• hogere temperatuur werking
• kleinere passieve componenten

Maar naarmate de SiC-industrie volwassen wordt, verandert de vraag.

Een aantal jaren geleden ging de discussie vaak over:

Kan SiC silicium vervangen in krachtige toepassingen?

Vandaag de dag is de meer praktische vraag:

Hoe kunnen de productiekosten van SiC worden verlaagd?

SiC-productie wordt een concurrentie tussen opbrengst en kosten

SiC-substraten zijn moeilijk te produceren.

Er zijn uitdagingen in de hele verwerkingsketen:

• kristalgroei
• snijden
• slijpen
• lapperen
• CMP
• schoonmaken
• Epitaxie
• waferinspectie
• fabricage van apparaten

SiC is extreem hard en broos.

Dit maakt het snijden en polijsten van wafers langzamer en duurder dan de conventionele siliciumverwerking.

Substraatdefecten kunnen ook van invloed zijn op de eindopbrengst van het apparaat.

Naarmate SiC zich richt op de productie van grotere hoeveelheden, verschuift de focus steeds meer naar:

• grotere waferdiameters
• hogere kristalkwaliteit
• lagere defectdichtheid
• verminderd kerfverlies
• sneller polijsten
• verbeterde vlakheid van de wafer
• een betere verwerkingsopbrengst

Dit betekent dat er niet alleen mogelijkheden bestaan in SiC-wafers zelf, maar ook in de gehele toeleveringsketen van SiC-materialen en -apparatuur.

6GaN zoekt nieuwe mogelijkheden in AI Power Systems

Galliumnitride is een andere belangrijke breedbandsemiconductor.

GaN is vooral aantrekkelijk wanneer:

• hoge schakelfrequentie
• hoge efficiëntie
• compacte vermogen omzetting

zijn belangrijk.

AI datacenters verbruiken enorme hoeveelheden elektriciteit.

Het verminderen van het vermogen omzetverlies in de hele server- en rackarchitectuur is daarom steeds waardevoller.

GaN-apparaten kunnen worden gebruikt in toepassingen voor de omzetting van hoogfrequente vermogen, waaronder:

• stroomvoorzieningen voor servers
• DC-DC-omvormers
• met een vermogen van niet meer dan 50 W
• telecommunicatie-energiesystemen

Dit creëert een andere belangrijke verbinding tussen AI en halfgeleidermaterialen.

De vraag naar AI zorgt niet alleen voor vraag naar processors.

Het verhoogt ook de vraag naar de krachtelektronica die nodig is om die processors efficiënt te bedienen.

SiC en GaN zijn meer complementair dan concurrerend

SiC en GaN worden vaak gepresenteerd als concurrerende halfgeleidertechnologieën.

In de praktijk richten zij zich vaak op verschillende onderdelen van de markt voor krachtelektronica.

SiC presteert met name goed in:

• hoogspanningstoepassingen
• hoogvermogenssystemen
• auto-tractie
• elektriciteitsnet en industriële energie

GaN is zeer aantrekkelijk voor:

• hoogfrequente schakeling
• met een vermogen van niet meer dan 50 W
• voor toepassingen met een lage tot middelste spanning
• energie-elektronica voor datacenters

De toekomstige markt voor krachtsemiconductoren zal derhalve waarschijnlijk gebruikmaken van:

silicium + SiC + GaN

In plaats van een enkel universeel materiaal te kiezen.

7Halvergeleiderkeramiek wordt steeds belangrijker.

Een andere minder zichtbare, maar steeds belangrijker wordende categorie zijn geavanceerde keramische materialen.

Halvegeleiderapparatuur is gebaseerd op precisie-keramiek voor onderdelen zoals:

• waferschakken
• verwarmingsplaten
• isolatiecomponenten
• delen voor plasmakamers
• waferdragers
• nauwkeurige fasen
• vacuümcomponenten

Belangrijke materialen zijn:

• Aluminium
• Aluminiumnitride
• Siliciumcarbide
• Siliciumnitride
• Yttria

Elk materiaal lost een ander technische probleem op.

Aluminium

Alumina biedt:

• uitstekende elektrische isolatie
• goede chemische weerstand
• hoge hardheid
• rijp verwerking
• relatief gecontroleerde kosten

Het blijft een van de meest gebruikte technische keramiek.

Aluminiumnitride

AlN is vooral aantrekkelijk wanneer beide:

elektrische isolatie

en

hoge warmtegeleidbaarheid

zijn vereist.

Dit maakt het handig voor:

• met een vermogen van niet meer dan 50 W
• componenten van verwarmingstoestellen
• warmtebeheerstructuren
• elektronische verpakkingen

SiC keramiek

SiC-keramiek biedt:

• hoge stijfheid
• hoge warmtegeleidbaarheid
• lage thermische uitbreiding
• uitstekende slijtvastheid
• hoge temperatuurstabiliteit

Deze eigenschappen maken het aantrekkelijk voor componenten van halfgeleiderapparatuur die dimensie stabiel moeten blijven onder veranderende thermische omstandigheden.

AI verbindt voorheen gescheiden materialenmarkten

Een van de meest interessante trends in halfgeleiders is dat materialen die ooit tot relatief verschillende industrieën behoorden, deel worden van hetzelfde systeem.

Denk aan een geavanceerd AI computing platform.

Het kan vereisen dat:

SOI

voor siliciumfotonica en optische communicatie.

Glas

voor geavanceerde verpakkingen van de volgende generatie.

HBM

voor geheugen met een hoge bandbreedte.

AlN- of SiC-keramiek

voor warmtebeheer- en halfgeleiderapparatuur.

Materialen op basis van diamanten

voor extreme warmteverspreiding.

GaN

voor efficiënte energieomzetting van datacenters.

SiC

voor energie-infrastructuur met een hoog vermogen.

Deze materialen vervullen totaal andere functies.

Maar AI verbindt ze met dezelfde technische vereisten:

• meer bandbreedte
• grotere integratie
• een hogere energie-efficiëntie
• een lagere thermische weerstand

Van proces- tot systeem-scale

De halfgeleiderindustrie gaat daarom een bredere schaalvorming in.

Traditionele schaalingen waren vooral gericht op het verkleinen van transistors.

Toekomstige prestatieverbeteringen zijn steeds meer afhankelijk van:

** transistor-scaling

• verpakkingsschaling
• geheugenschaal
• optische schaling
• vermogensschaal
• thermische schaalvorming**

Daarom worden geavanceerde materialen strategisch belangrijk.

Een snellere transistor biedt beperkt voordeel als gegevens niet snel kunnen bereiken.

Een grotere AI-versneller biedt beperkt voordeel als het oververhit.

Meer HBM biedt beperkt voordeel als de verpakkingsdichtheid onmogelijk te beheersen wordt.

Geavanceerde verpakkingen en materialen maken deel uit van de prestatievergelijking.

Welke halfgeleidermaterialen moet de industrie als volgende in de gaten houden?

Een aantal categorieën verdienen bijzondere aandacht.

Fotonics SOI

Aangedreven door siliciumfotonica, hoge snelheid optische communicatie en CPO.

Glassubstraten

Aangedreven door chiplets, HBM, geavanceerde verpakkingen voor grote oppervlakten en TGV-technologie.

SiC

Aangedreven door elektrische voertuigen, industriële energie, hernieuwbare energie en hoogspanningselektronica.

GaN

Aangedreven door high-frequency power conversion en datacenter efficiency.

Keramiek met een hoge warmtegeleidbaarheid

Aangedreven door energie dichtheid en geavanceerde halfgeleider apparatuur.

Thermische materialen op basis van diamanten

Aangedreven door extreme warmte stroming in AI, RF en high-power apparaten.

Deze materialen zullen silicium niet vervangen.

In plaats daarvan zullen ze silicium in toenemende mate omringen en het mogelijk maken om op systeemniveau te blijven schalen.

Conclusies

De revolutie van AI-halfgeleiders wordt een revolutie van materialen.

De belangrijkste vraag van de industrie was:

Hoe klein kunnen we de transistor maken?

Die vraag blijft belangrijk.

Maar dat is niet meer genoeg.

De volgende generatie halfgeleidersystemen moet ook antwoorden op:

Hoe snel kunnen gegevens verplaatst worden?

Hoe dicht kunnen meerdere matrijzen worden geïntegreerd?

Hoe efficiënt kan energie worden omgezet?

Hoe snel kan warmte worden verwijderd?

Deze vragen vergroten het belang van SOI-wafers, glassubstraten, SiC, GaN, geavanceerde keramiek en thermische materialen op basis van diamanten.

De toekomst van de prestaties van halfgeleiders zal dus niet alleen afhangen van betere chips, maar ook van betere materialen rondom die chips.

De volgende fase van de concurrentie kan minder worden bepaald door een enkele materiële doorbraak en meer door de mogelijkheid om meerdere gespecialiseerde materialen in één systeem met hoge prestaties te integreren.

In het AI-tijdperk gaat de innovatie van halfgeleiders verder dan alleen maar chips kleiner maken.

Het gaat steeds meer om het mogelijk maken dat chips sneller kunnen communiceren, dichter kunnen verpakken, energie efficiënter kunnen verbruiken en bij lagere temperaturen kunnen werken.