Derin Okuma — GaAs ve InP Wafer

Bir avuç tozun içindeki kristal

Bir yarı iletken fabrikasının girişinde, elmas kesiciyle dilimlenmiş ince diskler dizilir. Çoğu gri, mat, sıradan görünür. Aralarında birkaç tanesi var ki, ışığa tutulduğunda kızıl-turuncu bir parıltı verir. Diskler silisyum değil. Galyum arsenür ve indiyum fosfür. Telefonunun içindeki sinyali taşıyan, veri merkezleri arasındaki fiber optik hattı besleyen, radarın gözünü açan şey bu parıltı.

Silisyum dünyanın hacmini domine eder. Bir 300 milimetrelik silisyum pul, bugün bir otomobilin tüm hesaplama yükünü taşıyabilir. Ama silisyumun bir kör noktası var.

Işık üretemez. Elektronları yavaş hareket eder. Yüksek frekansta gürültüye boğulur.

İşte bu üç boşluğu doldurmak için sahneye iki bileşik yarı iletken çıkar. Galyum arsenür (GaAs) ve indiyum fosfür (InP).

Peki neden bu iki malzeme, onlarca yıldır laboratuvardan çıkıp da silisyumun yerini alamadı?

Neden kalay damlası değil de eriyik kristal

GaAs ve InP, silisyum gibi tek element değil. İki veya üç elementin belirli oranda birleşmesiyle oluşan kristaller. Birleşim, malzemeye silisyumda olmayan bir özellik kazandırır. Doğrudan bant aralığı. Günlük dille söylersek, elektronun enerji merdiveninde atlarken ışık salması. Silisyumda elektron bu atlayışı yaparken ısı üretir. GaAs'ta foton üretir.

Kristali büyütmek için eriyik haldeki malzeme yavaşça soğutulur. Silisyumda bu işlem Czochralski yöntemiyle, 1.400 santigrat civarında, saatte birkaç milimetre hızla yapılır. GaAs'ta sıcaklık 1.238 santigrat erime noktasına yakın tutulur ama arsenik bu sıcaklıkta buhar basıncı yapar. Buhar kaçarsa kristal bozulur. O yüzden kapalı bir kapsül içinde, 2-3 atmosfer basınç altında, saatte 1-5 milimetre hızla çekilir. Bir 150 milimetrelik GaAs külçesi büyütmek, silisyumda aynı boyutta külçe büyütmekten kabaca 8-10 kat daha uzun sürer.

InP daha da zorlu. Erime noktası 1.062 santigrat, ama fosfor 350 santigrat civarında buharlaşmaya başlar. O yüzden InP kristali, 40-100 atmosfer basınç altında, sızdırmaz bir kuvars kapsül içinde büyütülür. Kapsül patlarsa hem malzeme hem ekipman gider. O yüzden dünyada InP külçe büyütebilen tesis sayısı iki elin parmaklarını geçmez.

İşin bir de sıcaklık gradyanı tarafı var. Külçe ile eriyik arasındaki sıcaklık farkı, kristalin hangi yönde ve ne hızda katılaşacağını belirler. Gradyan çok dikse kristal çatlar. Çok yayvansa bileşim sapması oluşur. GaAs'ta bu pencere, erime noktasının yalnızca 5-10 santigrat altında bir bantta tutulur. InP'de bant daha da dar. Operatörün fırın sıcaklığını 2 santigrat yanlış ayarlaması, 40 saatlik bir büyütmeyi hurdaya çevirebilir.

Bir de katkılama meselesi var. Silisyumda katkı maddesi eriyiğe karıştırılır ve kristal boyunca homojen dağılır. GaAs'ta katkı atomları, katılaşma cephesinde birikir. Yani külçenin başı ile sonu arasında katkı yoğunluğu yüzde 30-50 fark edebilir. O yüzden GaAs külçesinden çıkan pulların elektriksel özellikleri baştan sona aynı olmaz. Fabrika, pulun külçedeki konumuna göre farklı uygulamalara yönlendirir.

Katkı atomlarının bu düzensiz dağılımı, segregasyon katsayısı denen bir sayıyla ölçülür. Silisyumda bu katsayı bire yakındır, yani katkı eriyikte ve katıda benzer oranda kalır. GaAs'ta katsayı 0,1 ila 0,5 arasında değişir. Katkı, katılaşan cephede birikir. Külçenin son yüzde 20'sinde katkı yoğunluğu, ilk yüzde 20'sine göre iki üç katına çıkabilir. O yüzden bir GaAs külçesi, tek bir ürün değil, farklı özelliklerde birkaç bölge gibi düşünülmelidir.

Işığı üreten ile taşıyanın ayrımı

GaAs ve InP'yi aynı kefeye koymak yaygın bir hata. İkisi farklı işler yapar. GaAs, 850-940 nanometre dalga boyunda ışık üretir. Bu, kısa mesafeli veri iletimi, yüz tanıma sensörleri, lazer mesafe ölçerler için idealdir. Ayrıca yüksek frekanslı radyo sinyallerini silisyumdan 3-5 kat daha verimli yükseltir. Telefonundaki güç amplifikatörü, büyük olasılıkla bir GaAs çipi.

InP ise 1.300-1.550 nanometre bandında çalışır. Bant, fiber optik kabloda sinyalin en az kayıpla ilerlediği pencere. Veri merkezleri arasındaki 80 kilometrelik bir hatta, sinyali yeniden üretmeden taşıyabilen lazerler InP tabanlıdır. Ayrıca 100 GHz üzeri frekanslarda çalışan transistörler, yüksek çözünürlüklü radar ve 6G araştırmaları için InP'ye bağımlı.

Bir benzetmeyle söylersek, GaAs bir stüdyo lambasıdır. InP ise o lambanın ışığını şehirler arası bir tünelde taşıyan fiber kablodur. İkisi birbirinin yerini almaz, birbirini tamamlar.

Ayrımın bir de bant aralığı tarafı var. GaAs'ın bant aralığı 1,42 elektronvolt. Bu, ürettiği fotonun dalga boyunu doğrudan belirler. InP'ninki 1,35 elektronvolt.

Ama InP'nin asıl gücü, üzerine büyütülen alaşımlardan gelir. InP zemin üzerine indiyum galyum arsenür fosfür (InGaAsP) katmanları büyütülür. Katmanın bileşimi ayarlanarak dalga boyu 1.300 ile 1.550 nanometre arasında ayarlanır. Yani InP bir zemin, ışığın rengi üstteki katmanın bileşiminden çıkar.

GaAs'ta da benzer bir numara var. Alüminyum galyum arsenür (AlGaAs) katmanları, GaAs zemini üzerine büyütülür. Alüminyum oranı arttıkça bant aralığı genişler, üretilen ışık maviye kayar. Ama GaAs tabanlı lazerler pratikte 1.100 nanometrenin ötesine geçemez. Çünkü bant aralığı, fiber optik için gereken pencereyi kapsamaz. O yüzden uzun mesafe iletişimde InP rakipsizdir.

Kuantum kuyusu yapısı bu ayrımı daha da derinleştirir. İki farklı bant aralıklı katman üst üste büyütülünce, elektronlar ince katmanda hapsolur. Hapsetme, elektronun enerji seviyesini değiştirir ve lazerin dalga boyunu birkaç nanometre hassasiyetle kaydırır. Bir InP lazerin dalga boyu, kuyu kalınlığı 1 nanometre değiştiğinde kabaca 5-8 nanometre kayar. Hassasiyet, aynı hatta birden fazla sinyalin farklı renklerde taşınmasını sağlar. Dalga boyu bölmeli çoğullama denen bu yöntem, tek fiberde 80 kanala kadar çıkabilir.

Avuç içi kadar pulun ekonomisi

Bir GaAs pulu, 150 milimetre çapında ve yaklaşık 0,6 milimetre kalınlığında. Silisyum pulu ise 300 milimetre çapında ve 0,775 milimetre kalınlığında. Yüzey alanı farkı kabaca dört kat. Ama asıl fark fiyatta. Bir 150 milimetrelik GaAs pulu, aynı çaptaki silisyum pulunun 20-40 katı fiyata satılır. InP'de bu çarpan 50-100 kata çıkar.

Neden bu kadar pahalı? Çünkü külçe büyütme verimi düşük. Silisyumda bir külçenin yüzde 70-80'i kullanılabilir pul olur. GaAs'ta bu oran yüzde 40-50'ye düşer. InP'de yüzde 25-35. Kalan kısım kristal kusurları, çatlaklar, bileşim sapmaları yüzünden hurdaya gider.

Bir de dilimleme kaybı var. Elmas testere, her pul için 0,2-0,3 milimetre malzeme toz haline getirir. 0,6 milimetre kalınlığındaki bir GaAs külçesinden çıkan pul sayısı, aynı boyuttaki silisyum külçesinden çıkanın yarısı kadardır.

Fabrikasyon tarafında da tablo farklı. GaAs ve InP pul işleme, silisyumun 300 milimetre hatlarında yapılmaz. Çoğu tesis 100 veya 150 milimetre hatta çalışır. Bu, birim alandan çıkan çip sayısını düşürür. Bir 150 milimetre GaAs pulundan çıkan güç amplifikatörü çipi sayısı, aynı alandaki silisyum pulundan çıkanın kabaca beşte biri kadardır.

Ama her çip, on kat daha yüksek fiyata satılır. Ekonomi burada dengelenir.

Dengenin kırıldığı bir nokta var. 150 milimetre GaAs hattı, 200 milimetreye geçişte ciddi bir duvara çarpıyor. Çap büyüdükçe külçenin merkezi ile kenarı arasındaki sıcaklık farkı artıyor. GaAs'ta bu fark, 150 milimetrede 15-20 santigrat. 200 milimetrede 30 santigrata çıkıyor. Kristal çatlıyor.

O yüzden 200 milimetre GaAs külçe büyütme, laboratuvar ölçeğinde kaldı. InP'de 150 milimetre bile nadir. Çoğu üretim 100 milimetrede dönüyor.

Bir de epitaksi tarafı var. MOCVD reaktörü, pulun üzerine atom katmanı katman büyütür. Bir 150 milimetre GaAs pulunda bu işlem 1,5-2,5 saat sürer. Reaktörün içindeki sıcaklık homojenliği, katman kalınlığını doğrudan etkiler. Merkez ile kenar arasında 2 santigrat fark olsa, katman kalınlığı yüzde 3-5 sapar. Sapma, lazerin dalga boyunu kaydırır. Fabrika, pulun kenarından çıkan çipleri genelde düşük verimli sayar.

MOCVD reaktörünün içinde üç gaz akışı aynı anda yönetilir. Taşıyıcı gaz, metal organik kaynak ve hidrojen arsenür ya da fosfür. Katman bileşimi, bu üç akışın oranıyla belirlenir. Akış oranı yüzde 1 saparsa, büyütülen katmanın bant aralığı 5-10 milielektronvolt kayar. Lazer dalga boyu bu kaymadan doğrudan etkilenir. O yüzden her reaktörün akış kontrolü, haftalık kalibrasyonla ayakta tutulur.

Verim tarafında bir de wafer başına çip sayısı meselesi var. 150 milimetre bir pulda, 1 milimetre karelik lazer çipleri düşünürsek teorik olarak 17.000 çip çıkar. Ama kenar kayıpları, test için kesilen bölgeler ve verim düşüklüğü hesaba katılınca bu sayı 8.000-10.000'e iner. Aynı alandaki silisyum puldan çıkan çip sayısı ise 30.000'in üzerindedir. Bileşik yarı iletkenin ekonomisi, birim alandan çok daha az ürün çıkarmasına rağmen ayakta durur. Çünkü her ürün, on katı fiyata satılır.

Piyasa Hafızası - 2021'de InP kıtlığı

2021 yılının ikinci yarısında, veri merkezi yatırımları pandemi sonrası patlama yaptı. Bulut sağlayıcıları, 400G ve 800G optik modül siparişlerini ikiye katladı. Modüllerin içindeki lazer diyotları InP tabanlıydı. Talep bir anda arzın iki katına çıktı. InP külçe büyütebilen tesislerin kapasitesi ise yılda sadece birkaç bin külçeyle sınırlıydı. Yeni bir külçe büyütme hattı kurmak, kuvars kapsül tedarikinden basınçlı fırın kalibrasyonuna kadar 18-24 ay sürüyordu.

Sonuç, optik modül teslim sürelerinin 12 haftadan 52 haftaya çıkması oldu. Bazı telekom operatörleri, 5G baz istasyonu kurulumlarını 2022'nin ikinci çeyreğine ertelemek zorunda kaldı. Ders basit. Bileşik yarı iletkende darboğaz, silisyumdaki gibi hızlı çözülmez. Çünkü kapasite artışı, fiziksel ve kimyasal sınırlara takılır.

Küçük Bir Hesap - 150 mm GaAs pulunun maliyet zinciri

Sayılar temsili, mantık gerçek. Dikkat edilmesi gereken nokta, ham malzemenin toplam maliyetin sadece yüzde 2-3'ünü oluşturması. Asıl yük epitaksi ve litografi adımlarında. O yüzden külçe fiyatı iki katına çıksa bile pul maliyeti yüzde 5-6 artar. Ama epitaksi verimi yüzde 65'ten yüzde 50'ye düşerse, toplam maliyet yüzde 30 yükselir. Duyarlılık burada yatar. Bileşik yarı iletkende kazanç, malzeme tedarikinde değil, süreç kontrolünde saklıdır.

Katmanlı okuma çerçevesi

Birincisi, GaAs ve InP'yi silisyumun alternatifi olarak görmek yanlış. Onlar silisyumun yapamadığı işleri yapan tamamlayıcı katman. Işık üretimi, yüksek frekans, düşük gürültü. Üç iş, önümüzdeki on yılda da silisyuma devredilmeyecek.

İkincisi, bu iki malzemenin darboğazı kapasite değil, süreç. Külçe büyütme hızı, kapsül basıncı, epitaksi verimi. Bir tesisin kapasitesini iki katına çıkarmak, yeni bir tesis kurmaktan daha zor. Çünkü öğrenme eğrisi, ekipmandan çok operatörün elinde.

Üçüncüsü, yapay zeka çağında veri merkezleri arası bağlantı, InP talebini silisyum talebinden bağımsız olarak büyütüyor. Bir yapay zeka modelinin eğitimi, binlerce GPU'yu birbirine bağlar. Bağlantının omurgası, InP lazerlerden geçer. Silisyum çip krizi çözülse bile, InP krizi kendi ritminde tekrarlayabilir.

Işığı üreten ile taşıyanın ayrımı, çip krizinin en az konuşulan katmanı.