Kisel i allmänhet och CMOS i synnerhet har hittills visat nästan oändlig förmåga att producera billig elektronik med allt bättre prestanda. Men även om gränsen för vad som är möjligt ständigt flyttas uppåt så finns den där, och i dag tenderar de tänkta tillämpningarna hela tiden att snubbla över den.

3G och dess krav på hög uteffekt, hög dynamik, breda kanaler och relativt hög frekvens ligger på kislets frontlinje. 5 GHz trådlösa radionät likaså. I de optiska näten kämpar man med att få CMOS att klara 10 Gbit/s, men konstruktörerna har redan tagit ett steg till, till 40 Gbit/s. Och Post- & telestyrelsen har redan delat ut radiolicenser för bredbandslänkar i 30 GHz. Tillämpningar där det i bästa fall är tveksamt om det lönar sig att använda kisel, i värsta fall är det direkt omöjligt.

Konkurrerar inte

Fungerar det inte med kisel får man ta till någonting annat: galliumarsenid, indiumfosfid, kiselgermanium, kiselkarbid eller galliumnitrid. Dessa alternativa material konkurrerar inte nödvändigtvis med varandra. Kiselkarbid och galliumnitrid lämpar sig bäst för hög effekt och halvhög frekvens.

Galliumarsenid och indiumfosfid är bäst för riktigt höga frekvenser. Kiselgermanium klarar höga frekvenser på låg effekt i integrerade tillämpningar.

I dag är det bara galliumarsenid som används i större utsträckning, även om kiselgermanium kommer starkt.

Enligt IC Insights marknadsundersökning The McClean Report var marknaden för alternativa material 2,1 miljarder dollar förra året. Det kan låta mycket, men det är bara en minimal del av den totala halvledarmarknaden på 139 miljarder dollar förra året. Av de två miljarderna stod kiselgermanium för 16 procent, resten var nästan uteslutande galliumarsenid.

Det brukar ibland hävdas att de alternativa materialen är onödiga, eller åtminstone dömda till undanskymdhet i en liten nisch. Kiseltekniken trimmas allt mer, och CMOS-kretsar som klarar bredbandskommunikation i 10 GHz har presenterats.

- För att få CMOS att fungera i sådana hastigheter i dag måste man ha en så trimmad process, specialgjord för den aktuella tillämpningen att man inte längre har kostnadsfördelarna med CMOS, och då kan man lika gärna göra det i kiselgermanium, anser Mikael Östling, professor på KTH som har forskat på allt från kiselgermanium till kiselkarbid.

Hans beskrivning av verkligheten för alternativa material är grovt förenklat: först kommer galliumarsenid och visar att en viss tillämpning är möjlig. Sedan kommer kiselgermanium och gör den kommersiell. Och till slut kommer CMOS och gör lågprisprodukter av det.

Den världsbeskrivningen innebär förstås att galliumarsenid och kiselgermanium för alltid är förvisade till en smal nisch mellan forskning och vardag som ständigt rör sig uppåt i frekvens.

Högspänning

En mer stabil nisch innebär kombinationen hög frekvens och hög effekt. Generellt för elektronik gäller att ju högre frekvens du jobbar i, desto lägre spänning kan du ha.

För kisel i radiotillämpningar vid flera gigahertz talar vi om riktigt små spänningar, och om du ska ha någon sändareffekt blir du nästan tvungen att ha ett slutsteg i annat material. En nisch som förespråkarna för galliumnitrid och kiselkarbid hoppas på, i synnerhet för 3G-basstationer.

- Fördelen med nitrider är att de har en tiopotens högre laddningstäthet än galliumarsenid. Mobiliteten är motsvarande, och den maximala elektronhastigheten är högre. Det gör att man kan gå upp i frekvenser över 5 GHz och fortfarande hålla effekten, berättar Bo Monemar, professor på Linköpings universitet, som forskat på galliumnitrid sedan 1960-talet.

Liknande tongångar kommer från kiselkarbidförespråkarna.

- Med kiselkarbid kan du göra komponenter med hög uteffekt, men som ändå har rätt små dimensioner, anser Chris Harris, som nyligen startat företaget AMDS som utvecklar kiselkarbidtransistorer.

Kiselkarbid och galliumnitrid konkurrerar mer eller mindre direkt med varandra om denna nisch.

- Största nackdelen med galliumnitrid är att det inte är stabilt med temperaturen. Visst har det underbara egenskaper vid rumstemperatur, men vid 50 grader har du helt andra egenskaper, hävdar Chris Harris.

Kan skräddarsys

Hög effekttålighet innebär samtidigt att det finns en LÄGSTA gräns för vilken spänning som materialen fungerar bra i. För kiselkarbid är det minst ett par volt. Det gör att det finns utrymme för mer än ett material. Och för variationer inom materialen.

En utmärkande egenskap för de alternativa materialen (med undantag för kiselgermanium) är att de kan skräddarsys efter effekt eller spänning för att få bästa egenskaper i form av linearitet, lågbrus, högbrus med mera för varje given tillämpning.

- Jag har släppt det där med att propagera för ett visst material, säger Herbert Zirath på Chalmers, som forskat på de flesta alternativa material.

IC Insights gör prognosen att marknaden för alternativa material kommer att ligga på 7,2 miljarder dollar år 2006. En växande del av halvledarindustrin, men fortfarande en liten nisch. De gör uppskattningen att kiselgermanium har
38 procent av den kakan, resten huvudsakligen fortfarande galliumarsenid. Det finns tecken som tyder på att uppskattningen för kiselgermanium är i underkant. IBM ökade sin försäljning av kiselgermaniumkomponenter med 86 procent under 2001, ett år som annars nästan uteslutande visade minussiffror.

- I dag görs många effektförstärkare i galliumarsenid. Jag ser ingen anledning till att de inte skulle kunna göras billigare i kiselgermanium, anser Mikael Östling.

Han är säker på att samtliga tillverkare kommer att använda kiselgermanium i BiCMOS-processer för höga frekvenser i framtiden. Det finns helt enkelt ingen anledning att inte göra det. Och att till och med kända germaniumvägrare som Philips har lanserat en BiCMOS-process för kiselgermanium tyder på att han har rätt.

Diamant nästa steg

Övriga material är i mångt och mycket beroende av marknadsutvecklingen för 3G, mikrovågslänkar och fiberoptiska länkar i 40 Gbit/s och högre. Men det hindrar inte vetenskapsvärlden från att forska vidare på material med ännu intressantare egenskaper.

Diamant, till exempel.

- Diamant har mycket högt bandgap, men det är svårt att få materialet tillräckligt rent. Det är också svårt att dopa. Längst har man kommit med P-dopning, men än finns det inga komponenter ens i labbmiljö. Jag skulle inte ha något emot att starta ett diamantprojekt själv, säger Herbert Zirath.

- Diamant som halvledarmaterial ligger tio år efter galliumnitrid, men det krävs bara en upptäckt för att det ska ske ett genombrott i utvecklingen. Jag tror att det genombrottet kommer de närmaste 2-3 åren, anser Chris Harris.

Elias Nordling