Yarıiletken Nedir?
Yarıiletkenler; normal koşullar altında yalıtkan olan ancak belirli koşullar altında iletkenlik özellikleri değişebilen (iletken olan) materyallerdir. Yarıiletkenlerin iletkenlik durumları sıcaklık, elektriksel gerilim, manyetik alan, ışık gibi durumlardan etkilenmektedir.
Bazı Yarıiletken Element ve Bileşikler
Yarıiletkenlerin bazıları bileşik, bazıları elementtir.
- Ge (Germanyum), Si (Silisyum),
- GaAs (Galyum arsenit), GaP (Galyum fosfür), AlAs (Alüminyum arsenit), InSb (İndiyum antimonit), InP (İndiyum fosfür), InAs (İndiyum arsenit), HgTe (Cıva (II) tellürit), CdTe (Kadmiyum tellürit), CuO (Bakır (II) oksit), SiC (Silisyum karbür), GaN (Galyum nitrür), CdS (Kadmiyum sülfit), PbS (Kurşun sülfit), SiGe (Silisyum germanyum), InGaAs (İndiyum galyum arsenit), HgCdTe (Cıva kadmiyum tellürit), ZnS (Kalay sülfit), GaAlAs (Galyum alüminyum arsenit), InAlAs (İndiyum alüminyum arsenit), SiGeC (Silisyum germanyum karbür)…..
Ülkemizde Yarıiletkenler Üzerine Çalışma Yapan Kuruluşlar
YİTAL
1970’li yılların sonlarında başlatılan ağır sanayi hamlesi çerçevesinde ülkemizde Tümdevre (Integrated Circuit – IC) üretim fabrikası gerekliliği görülmüş ve bu amaçla Ankara’da bulunan TESTAŞ firması bünyesinde Yarıiletken Devre Elemanı Fabrikası (YİDEF) kurulmasına karar verilmiştir. Başlangıç olarak, ABD’deki bir firmadan 7 µm (mikrometre) Bipolar teknolojisi transferi yapılmış ve yurtdışına eğitim için personel gönderilmiştir. Bu çalışmalara paralel olarak üretimde çıkması olası problemleri çözmek ve yeni teknolojiler geliştirmek için 1983 yılında YİTAL, TÜBİTAK Gebze Yerleşkesi’ndeki Marmara Araştırma Merkezi (o dönemde Enstitü) bünyesinde kurulmuştur.
Milli yarıiletken fotodedektörlerimiz yurt dışında üretilen emsallerinden daha düşük gürültülü ve yüksek tepkisellik özelliğine sahiptir. Yarıiletken dedektörlerin üretiminde 55 adımlı gelişmiş yarıiletken teknolojisi kullanılmaktadır. BİLGEM’de üretilen farklı tipteki dedektörler ROKETSAN, TÜBİTAK SAGE ve ASELSAN tarafından yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Yerel sanayimizin ihtiyaçlarına paralel olarak 2019 yılında dedektörlerimizin yurtdışına satışına da başlanmıştır. BİLGEM’de geliştirilen en son fotodedektör, HİSAR Füzesi’nin Lazer Yaklaşma Sensürü’nde başarı ile kullanılmıştır.
YİTAL 2014 yılında SSB Ar-Ge Dairesi’nin desteğiyle, 0,25 µm SiGeC BiCMOS Hücre Kütüphanesi Geliştirilmesi Projesi’ne başlamıştır. 2018 yılında proje hedeflerine uygun (Ft:125GHz ve BVCE0:1.7V) SiGe HBT süreci başarı ile geliştirilmiş ve tekrarlanabilirliği kanıtlanmıştır. 2019 yılında bu sürece uygun 0,25 µm CMOS süreci geliştirilmiştir. Devamında bu iki üretim bandı birleştirilerek, SiGe BiCMOS teknolojisi ile RFIC tümdevrelerin ülke içinde gerçeklenmesine başlanmıştır.
YİTAL, 0,25 µm SiGe BiCMOS teknolojisini uygulayabilecek alt yapıya ve güçlü bir cihaz parkına sahiptir. Bu cihazlar, 1000 m² alanlı 10, 100 ve 1000 sınıfı bölgelerden oluşan temiz-alanda kurulmuştur. Temiz alanda gerçeklenen süreçler; maske üretimi, silisyum pul işleme (wafer processing), pul verim haritası, tümdevre kılıflama ile fonksiyonel ve yorma (burn-in) testleridir. Pul işleme sürecinde yarıiletken teknolojisinde kullanılan (kimyasal temizlik, yüksek sıcaklıkta oksitleme, düşük basınçta gaz fazdan film depolama (LPCVD), plazma destekli film depolama (PECVD), fiziksel film depolama (PVD), iyon ekme, litografi, plazma destekli aşındırma (RIE, ICP, kimyasal mekanik düzleme (CMP) gibi) bütün teknikler uygulanmaktadır.
YİTAL’de Tümdevre Tasarımı
YİTAL sayısal tasarım ekibi bugüne kadar YİTAL’de üretilen sayısal tümdevrelerin tasarımlarını tam özel tasarım tekniği ile gerçekleştirmiştir. Tam özel tasarım tekniğinde transistör ve kapı düzeyinde bütün şema ve serim tasarımı en alt seviyeden itibaren elle yapılarak en küçük alan, en yüksek hız, en düşük güç harcaması hedeflenmektedir. Bu sayede teknolojinin sınırlarında kullanılması ve pul (Wafer) başına düşen tümdevre sayısının artırılarak en düşük maliyet elde edilmesi sağlanmaktadır. Tam özel tasarım tekniğinin dezavantajı, tasarım süresinin uzun olmasıdır. Bu yüzden çok sayıda transistör içeren tümdevrelerde otomatik tasarım akışını da kullanmak gerekmektedir. Yurtdışında üretimi yapılan tek tümdevre olan akıllı kartın sayısal bloklarının serim
tasarımı tamamen tam otomatik tasarım yöntemi ile yapılmıştır.
YİTAL’de üretilmek üzere çalışılmakta olan milyonlarca transistör içeren özel amaçlı işlemcinin tasarımında hibrit tasarım yöntemi kullanılmaktadır. Hibrit tasarımda; modüler tekrarlanan yapıya sahip bloklar ve zamanlama açısından kritik yoldaki bloklar tam özel tasarlanırken kontrol blokları gibi modüler olmayan yapılar tam otomatik tasarlanmaktadır. Analog ve RF devrelerin tasarımları da transistor seviyesinde tam özel olarak yapılmaktadır.
YİTAL Tasarım Bölümü, Avrupa Birliği (AB) 6. Çerceve Programı’nca desteklenen SCARD isimli projede görev almış, yan kanal analizlerine dayanıklı tasarım tekniği kullanarak başarılı tasarımlar gerçeklemiştir. Günümüzde kullanıma geçen kimlik kartlarımızda YİTAL tarafından tasarlanan Akıllı Kart Tümdevreleri bulunmaktadır.
Tümdevre Üretiminde Temizlik Süreçleri
YİTAL’de temizlik işlemleri çoğunlukla katman depolama ve ısıl oksidasyon süreçleri öncesinde gerçekleştirilmektedir. Sağlıklı depolama ve oksidasyon işlemlerinin gerçekleştirilebilmesi için pul yüzeyinin temiz olması gerekmektedir. Pulun temiz olması üretim araçlarının da temiz kalması açısından önemlidir. Bunun yanında üretim sırasındaki bazı adımlardan sonra da reaksiyon artıklarını uzaklaştırmak için yine temizlik işlemleri yapılmaktadır.
Silisyum wafer üzerindeki organik atıkları uzaklaştırmak için pirana çözeltisi (Piranha Solution / SPM / Sulfuric Peroxide Mix); ortam ve ekipman kaynaklı safsızlıkların ve organik maddelerin temizlenmesi için SC-1 (APM / Ammonia Peroxide Mixture); yarıiletken üretim süreçlerinden gelen çeşitli metal iyonlarını kimyasal reaksiyon ile uzaklaştırmak için SC-2 (HPM / Hydrochloric Peroxide Mixture); pul yüzeyinde oluşan doğal oksidi veya kimyasal olarak depolanmış oksidi aşındırmak için seyreltik hidroflorik asit (DHA / Dilute Hydrofluoric Acid); aşındırma işlemleri sonucunda oluşan yan ürünlerin/polimerlerin ve fotorezistin (ışığa duyarlı bir malzeme) kimyasal olarak uzaklaştırılması için SPM, izopropil alkol ve DHA gibi bileşenler kullanılmaktadır.
Islak temizliğin yanı sıra YİTAL’de kuru temizlik işlemleri de yapılmaktadır. Kuru temizlik işlemleri plazma reaktörlerde gerçekleştirilir. Fotorezisti silmek ve aşındırma sonrası oluşan polimerleri uzaklaştırmak için oksijen gazı, doğal oksidi uzaklaştırmak için ise azot florür gazı kullanılmaktadır. Tüm bu ıslak ve kuru temizlik süreçlerinden sonra pullar yıkanıp kurutulmaktadır.
Tümdevre Üretimi Aşındırma Süreci
YİTAL’de 3 farklı çalışma prensibi olan 9 adet reaktör ile kuru aşındırma yapılmaktadır. Tipik olarak reaktörler alüminyum, cam veya kuvarsdan yapılmış, düşük vakuma inebilen cihazlardır. Bu cihazlar temel olarak reaktör haznesi, turbo pompa ve kuru pompadan oluşan vakum sistemi, radyofrekans (RF) güç kaynakları, su veya gaz soğutma-ısıtma sistemleri ve gaz dağıtım sistemlerini içermektedir. Aşındırılacak pullar reaktöre yüklenmekte, kuru pompa ve turbo pompa reaktörü vakumlamakta ve reaktif gazlar reaktöre beslenmektedir. Radyofrekans (RF) enerjisiyle gazlar iyonize edilerek aşındırma için gerekli olan koşullar oluşturulmaktadır. Kuru aşındırma proseslerinin temel parametreleri sıcaklık, basınç, güç, gaz akış oranları ve süredir. YİTAL’de 3 adet RIE (Reactive Ion Etch / Reaktif İyon Aşındırma) reaktörü bulunmakta ve bu reaktörler tümdevre üretiminin farklı aşamalarında kullanılmaktadır.
YİTAL’de 2 adet ICP (Inductively Coupled Plasma / Endüktif Eşitlenmiş Plazma) reaktörü bulunmaktadır. Bu reaktörlerin birinde polisilisyum diğerinde metal katmanları (Alüminyum, Titanyum ve Titanyum nitrit) aşındırılmaktadır. Aşındırıcı gaz olarak hidrojen bromür, klor, oksijen ve argon gazları kullanılmaktadır. Hidrojen bromür ve klor gazı farklı metallerin ve polisilisyumun aşındırılmasında esas aşındırıcı gazlardır. Okisjen, RIE’de belirtildiği gibi reaksiyonu hızlandırmakta veya anizotropik bir profil oluşturmaktadır. Argon gazı ise fiziksel bombardıman ile aşındırma yaparak reaksiyon hızına ve seçiciliğe katkı sağlamaktadır.
Fotolitografi Süreci
Fotolitografi mor ötesi (UV), derin mor ötesi (DUV) veya uç mor ötesi (EUV) ışık kaynağı kullanılarak bir maske üzerindeki modelin çoğunlukla silisyum pul üzerine aktarılması işlemidir. YİTAL’de fotolitografi süreçlerinin yürütüldüğü temiz alan, sınıf 10 kategorisindedir. YİTAL’de temiz alan sıcaklık ve nem değerleri yüksek hassasiyet ile takip edilmekte olup fotolitografi süreci için gerekli şartlar sağlanmaktadır.
GÜNAM
GÜNAM, Orta Doğu Teknik Üniversitesi (ODTÜ) girişimiyle 2009’da kurulmuştur. GÜNAM; güneş enerjisi teknolojilerinin geliştirilmesinde küresel bir oyuncu olma misyonuyla lider ve en kapsamlı ulusal merkezdir. Dışarıdan teknoloji transferi yapmayan GÜNAM’ın teknolojik bilgi birikimi (Know-How) kendisine aittir.
GÜNAM Fotovoltaik Hattı
GÜNAM (Güneş Enerjisi Araştırma ve Uygulama Merkezi)’ın yeni tesisi GPVL (GÜNAM Photovoltaic Line / GÜNAM Fotovoltaik Hattı); esas olarak endüstriyel boyutta PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) / PERT (Passivated Emitter Rear Totally Diffused) / PERL (Passivated Emitter with Rear Locally Diffused) ve IBC (Interdigitated Back Contact) tipi gibi c-Si (Crystalline Silicon / Kristal Silisyum) güneş paneli hücreleri (Solar Cell) üretebilmektedir. GPVL; alttaştan (Wafer) güneş paneli hücresine kadar, pilot üretim hattı olarak hizmet vermektedir. GPVL; 200 m² ofis alanına ve 600 m² üretim alanına sahiptir.
Temiz Oda
GÜNAM’da bulunan temiz oda (Cleanroom), toplam 150 m² laboratuvar alanına sahip dört bölümden oluşmaktadır. c-Si ve Si (Silisyum) bazlı ince film (Thin Film) üretim aletleri tesisin ana holünde yer almaktadır. Islak kimyasal işlemler (Wet Chemical Processing) ve fotolitografi için ayrı odalar vardır. Ayrıca test ve karakterizasyon için de bir oda vardır. Temiz oda, endüstriyel boyutta kristal silisyum hücreler üretebilir. Bilimsel araştırma için bir fotolitografi tesisi dahil olmak üzere çeşitli bölümleri vardır. 2012 yılından bu yana bu temiz odada hücre üretimi yapmak için tüm işlemler GÜNAM araştırmacıları tarafından optimize edilmiştir.
Nanooptik Araştırma Laboratuvarı (NRL)
NRL’nin ince kristal silisyum malzeme üretimiyle ilgili çalışma alanları şunlardır:
- Kristal silisyum yongaların lazer destekli dilimlenmesi;
- İnce amorf silisyum tabakaların lazer desteği ile kristalizasyonu;
- İnce amorf silisyum katmanların lazerle şekillendirilmesi ve işlenmesi
Kristal Silisyum Hücre Laboratuvarı
Kristal Silisyum Tabanlı Hücre Laboratuvarı’nda bulunan ve her biri üç tüplü fırınlar, her seferinde yirmi beş adet 6 inçlik yuvarlak veya kare alttaş işleme kapasitesine sahiptir. Ek olarak bu fırın, PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition / Plazma ile Güçlendirilmiş Kimyasal Buhar Biriktirme) tüpü içeriyor.
İnce Film Laboratuvarı
İnce film fotovoltaik teknolojileri, malzeme maliyetlerini düşürmek için geliştirilmiştir. Amorf silisyum veya Cd / Te yarıiletkenler gibi birkaç ince film teknolojisi vardır. GÜNAM’da farklı branşlardan araştırma grupları ince film teknolojileri üzerine çalışıyor.
Karakterizasyon Laboratuvarı
Üretim sırasında ve sonrasında tüm hücreler Optik ve Elektriksel Karakterizasyon Laboratuvarı’nda test edilmektedir. Optik karakterizasyon için;
- Yansıtma ölçümleri (Difüz ve Speküler);
- Geçirgenlik ölçümleri;
- Fotoiletkenlik ölçümleri;
- Film kalınlığı ölçümleri,
araştırmacılar tarafından 100nm (nanometre) ile 2μm arasında değişen dalga boyları için yapılabilir.
Ayrıca GÜNAM laboratuvarlarında 2 farklı güneş simülatörü bulunmaktadır.
GÜNAM’ın Silisyum Hücre Teknolojisi
- PERC / PERT / PERL Hücre
- IBC Hücre
- İki Yüzlü Hücre (Bifacial Cell)
- SHJ (Silicon Heterojunction) Hücre
ODTÜ MEMS
2008 yılında kurulan ODTÜ MEMS (MikroElektroMekanik Sistemler) Araştırma ve Uygulama Merkezi; MikroElektroMekanik Sistemler alanında ülkemize bilimsel ve ekonomik katma değer sağlayacak şekilde ileri teknoloji çözümleri geliştirmeyi kendisine misyon edinmiştir.
MEMS kısa adıyla bilinen MikroElektroMekanik Sistemler şeklinde tanımlanan teknoloji, mikroelektronik veya mikroçip teknolojisi gibi çağımızı değiştirecek bir potansiyele sahiptir. Bu teknoloji sayesinde mikroçipler üzerinde sadece mikroelektronik entegre devreler değil, mikromekanik yapılar da yapılabilmektedir. Böylece hem mikroalgılayıcılar (microsensors) ve mikroeyleyiciler (microactuators) hem de elektronik devre bir çip içinde yapılabilmekte, sistem fiyatı ve boyutları çip kadar ucuz ve çip kadar küçük olabilmektedir. ODTÜ MEMS; kızılötesi algılayıcılar, dönü ölçer, ivme ölçer, magnetometre, RF anahtar, RF kapasitör, ayarlanabilir devre bileşenleri, faz kaydırıcılar, yeniden şekillendirilebilir antenler, anten dizileri gibi bileşenler üzerine çalışmalar yürütmektedir.
ODTÜ MEMS’de Yapılabilen Bazı İşlemler
ASELSAN
ASELSAN; termal sistemler, lazer mesafe ölçer, lazer işaretleyici, lazer uyarı sistemleri, gündüz görüş kameraları ve görüntü yoğunlaştırıcılı gece görüş cihazlarının tasarım ve üretimleri ile ilgili yürütülen çalışmalar sayesinde müşterilerine Elektro-Optik Sistemler konusunda üstün kabiliyetler kazandırmaktadır. ASELSAN tesislerinde kurulu olan mikroelektronik üretim altyapısında InGaAs bileşik yarıiletken malzeme tabanlı SWIR (Short Wave Infrared / Kısa Dalga Kızılötesi ) yarıiletken dedektör prototipleri üretilmiş olup sensör performasının iyileştirilmesine ve seri üretime yönelik olarak çalışmalar devam ediyor.
ASELSAN tarafından geliştirilen keşif ve gözetleme sistemlerinde kullanılan 640×512 formatlı ve 15μm piksel adımlı MWIR (Middle Wavelength Infrared / Orta Dalga Kızılötesi) MCT (HgCdTe) soğutmalı kızılötesi dedektörün millileştirilmesi faaliyetlerinde sona yaklaşıldı. Prototip kalifikasyon faaliyetlerinin 2021 yılında tamamlanarak seri üretime başlanması hedefleniyor. Mikroelektronik üretim tesisinde MCT ile birlikte T2SL (Type II SuperLattice) bileşik yarıiletken malzeme tabanlı MWIR soğutmalı kızılötesi dedektör geliştirilmesine yönelik çalışmalarımız da devam ediyor. Kalifikasyon sonrasında 640×512 formatlı ve 15 μm piksel adımlı MWIR T2SL soğutmalı kızılötesi yarıiletken dedektörün ASELSAN ürünü keşif ve gözetleme sistemlerinde kullanılması hedefleniyor.
ASELSAN mikroelektronik üretim altyapısında 640×512 formatlı ve 15 μm piksel adımlı MCT LWIR (Long Wavelength Infrared / Uzun Dalga Kızılötesi) soğutmalı kızılötesi yarıiletken dedektör prototip geliştirme çalışmaları devam etmekte olup tank, gemi ve uçak gibi birçok platforma yönelik görüntüleme sistemlerindeki LWIR soğutmalı kızılötesi dedektörler millileştirilecek.
SWIR, MWIR veya LWIR foton dedektör geliştirme ve üretim süreçleri sensör malzemesi, piksel yapısı ve soğutma ihtiyacına göre farklılıklar gösterse de aynı altyapıda benzer süreçler içerir. ASELSAN’da MCT malzeme için Kadmiyum Kurşun Tellürit (Cadmium Zinc Telluride / CZT) kristal taban büyütme, MCT malzeme büyütme, InGaAs, MCT ve T2SL algılayıcı malzemelerden yarıiletken sensör üretme ve soğutmalı/soğutmasız paket yapısı üretimi süreçleri geliştiriliyor. Bu süreçler sonunda ortaya çıkan kızılötesi yarıiletken dedektörlerin çevre koşulu testleri ve görüntüleme sistemlerine entegrasyonu da ASELSAN’da yapılıyor.
ASELSAN tarafından; mikrobolometre tipi soğutmasız yarıiletken kızılötesi dedektör teknolojisinin milli imkânlarla geliştirilmesi ve seri üretimi hedefiyle 2016 yılında MEMS tesisi yatırımı yapılmasına karar verildi. Bu kapsamda; ASELSAN Akyurt Yerleşkesinde bulunan yaklaşık 1000 m²’lik temiz alan kuruldu ve MEMS yatırımları 2018 yılı sonunda tamamlandı. ASELSAN tarafından kurulan mikrobolometre kızılötesi dedektör üretim tesisinde fotolitografi, yüksek enerjili plazma kaplama ve aşındırma, malzeme işleme ve karakterizasyon gibi hassas mikrofabrikasyon yöntemleri kullanılıyor. ASELSAN mühendisleri tarafından tamamen özgün olarak geliştirilen mikrobolometre dedektörlerin prototip üretimleri başarıyla gerçekleştiriliyor.
Dedektörlerin 2021 yılı itibarıyla seri üretime başlanması hedefleniyor. ASELSAN mikrobolometre dedektör üretim tesisinde üretilecek dedektörler, ASELSAN’ın her yıl binlerce adet üretip Türk Silahlı Kuvvetlerinin envanterine sunduğu termal kameralara ve ülkemiz için önem arz eden füze arayıcı başlıklarına entegre edilerek ASELSAN’ın ve savunma sanayimizin yetkinliğinin ve bağımsızlığının ileriye taşınması sağlanacak.
ÇAKIL İşlemcisi
ÇAKIL; Aselsan ve Tübitak Bilgem ortaklığında geliştirilmiştir.
PEROSOLAR
2018 de kurulan PeroSolar, ince film güneş hücresi üreten ve bu teknoloji üzerine araştırma, geliştirme yapan bir firmadır. Türkiye’de bu alanda endüstriyel anlamda perovskit güneş hücresi üreten tek firmadır. Firma, katıldığı EURO-İNVENT 2019 Romanya yarışmasında 400 inovatif proje arasında altın madalya aldı. PeroSolar, ayrıca ince film esnek güneş hücreleri ve panelleri üretebilmektedir. Güneş hücresi ArGe (Araştırma-geliştirme) çalışmalarını 2019’da tamamlayan firma, seri imalat sürecindedir. Bunun yanında güçlü araştırma ve mühendis ekibi ile bu teknolojinin ticarileştirilmesi için ArGe yapmaya devam etmektedir.
PeroSolar, 1 MW/yıl perovskit hücre üretim kapasitesine sahip ön seri üretim tesisini 2022’de açmayı planlıyor. 2024 hedefleri ise 300 MW/yıl perovskit hücre üretim kapasitesine sahip bir tesis açmak. PeroSolar tarafında kurşun kullanılmadan üretilecek hücreler %18-20+ verimliliğe sahip olacak. PeroSolar tarafından geliştirilen 10x10cm perovskit hücreler 5 W (Watt) enerji üretebiliyor. Üretilecek güneş panellerinin 250 W/m² güç yoğunluğuna sahip olması ve 0,05 $/W maliyetle seri üretim yapılması planlanıyor. Perovskit hücrelerin en büyük avantajı; esnek olmaları, doğrudan güneş ışığı alınamadığı durumlarda da enerji üretebilmeleri, uzay koşullarında daha dayanıklı olmaları (kozmik radyasyon), düşük hammadde maliyetine sahip olmaları ve fabrikasyon maliyetlerinin düşük olmasıdır.
Bu yazımızda, yarıiletkenler ve yarıiletkenlerle ilgili ülkemizdeki teknolojik çalışmaları ele aldık. Uzun ama çok faydalı ve detaylı bir yazı oldu. bu emeği karşılıksız bırakmamanız dileğiyle <3
Eksik ya da hatalı bilgi olduğunu düşünüyorsanız, bizimle iletişime geçerseniz seviniriz.
