Raziskovanje prihodnjih obetov silicijevih polprevodniških čipov

Kaj opredeljuje vlogo polprevodnikov v tehnologiji?

Materiale lahko razvrstimo glede na njihovo električno prevodnost – tok zlahka teče v prevodnikih, ne more pa v izolatorjih. Polprevodniki so vmes: lahko prevajajo elektriko pod določenimi pogoji, zaradi česar so izjemno uporabni v računalništvu. Z uporabo polprevodnikov kot temelja za mikročipe lahko nadzorujemo pretok električne energije v napravah, kar omogoča vse izjemne funkcije, na katere se danes zanašamo.

Od njihove ustanovitve,silicijje prevladoval v industriji čipov in tehnologije, kar je pripeljalo do izraza »Silicijeva dolina«. Vendar morda ni najprimernejši material za prihodnje tehnologije. Da bi to razumeli, moramo ponovno preučiti delovanje čipov, trenutne tehnološke izzive in materiale, ki bi lahko v prihodnosti nadomestili silicij.

Kako mikročipi prevajajo vhode v računalniški jezik?

Mikročipi so napolnjeni z majhnimi stikali, imenovanimi tranzistorji, ki prevajajo vnose s tipkovnice in programske programe v računalniški jezik – binarno kodo. Ko je stikalo odprto, lahko teče tok, kar predstavlja '1'; ko je zaprt, ne more, kar predstavlja '0'. Vse, kar počnejo sodobni računalniki, se na koncu skrči na ta stikala.

Desetletja smo izboljševali računalniško moč s povečanjem gostote tranzistorjev na mikročipih. Medtem ko je prvi mikročip vseboval le en tranzistor, lahko danes zapakiramo milijarde teh drobnih stikal v čipe velikosti nohta.

Prvi mikročip je bil narejen iz germanija, a tehnološka industrija je to hitro spoznalasilicijje bil vrhunski material za proizvodnjo čipov. Primarne prednosti silicija vključujejo njegovo številčnost, nizko ceno in višje tališče, kar pomeni, da deluje bolje pri povišanih temperaturah. Poleg tega je silicij enostavno "dopirati" z drugimi materiali, kar inženirjem omogoča prilagajanje njegove prevodnosti na različne načine.

S kakšnimi izzivi se sooča silicij v sodobnem računalništvu?

Klasična strategija ustvarjanja hitrejših in zmogljivejših računalnikov z nenehnim zmanjševanjem tranzistorjevsilicijžetoni začenjajo šepati. Deep Jariwala, profesor inženiringa na Univerzi v Pensilvaniji, je leta 2022 v intervjuju za The Wall Street Journal izjavil: »Čeprav lahko silicij deluje pri tako majhnih dimenzijah, energetska učinkovitost, potrebna za računanje, narašča, zaradi česar je izredno nevzdržen. Z energetskega vidika to nima več smisla.«

Če želimo še naprej izboljševati našo tehnologijo, ne da bi dodatno škodovali okolju, moramo obravnavati to vprašanje trajnosti. V tem prizadevanju nekateri raziskovalci natančno preučujejo čipe, izdelane iz polprevodniških materialov, ki niso silicij, vključno z galijevim nitridom (GaN), spojino iz galija in dušika.

Zakaj galijev nitrid pridobiva pozornost kot polprevodniški material?

Električna prevodnost polprevodnikov se spreminja predvsem zaradi tako imenovane "pasovne vrzeli". Protoni in nevtroni se združujejo v jedru, medtem ko elektroni krožijo okoli njega. Da bi material prevajal elektriko, morajo biti elektroni sposobni preskočiti iz "valenčnega pasu" v "prevodni pas". Najmanjša energija, potrebna za ta prehod, določa pasovno vrzel materiala.

V prevodnikih se ti dve regiji prekrivata, zaradi česar ni pasovne vrzeli – elektroni lahko prosto prehajajo skozi te materiale. V izolatorjih je pasovni razmik zelo velik, kar otežuje prečkanje elektronov tudi pri znatni uporabi energije. Polprevodniki, tako kot silicij, zasedajo sredino;silicijima pasovni razmik 1,12 elektronskih voltov (eV), medtem ko se galijev nitrid ponaša z pasovnim razmakom 3,4 eV, kar ga kategorizira kot "polprevodnik s širokim pasovnim razmakom" (WBGS).

Materiali WBGS so bližje izolatorjem v spektru prevodnosti, saj zahtevajo več energije za premikanje elektronov med obema pasovoma, zaradi česar so neprimerni za zelo nizkonapetostne aplikacije. Vendar lahko WBGS deluje pri višjih napetostih, temperaturah in energijskih frekvencah kotna osnovi silicijapolprevodnikov, kar omogoča napravam, ki jih uporabljajo, da delujejo hitreje in učinkoviteje.

Rachel Oliver, direktorica centra Cambridge GaN, je za Freethink povedala: »Če položite roko na polnilnik telefona, bo vroče; to je energija, ki jo zapravljajo silicijevi čipi. GaN polnilniki so na dotik veliko hladnejši – izgubljene energije je bistveno manj.«

Galij in njegove spojine se že desetletja uporabljajo v tehnološki industriji, vključno s svetlečimi diodami, laserji, vojaškimi radarji, sateliti in sončnimi celicami. vendargalijev nitridje trenutno v središču pozornosti raziskovalcev, ki upajo, da bodo tehnologijo naredili zmogljivejšo in energetsko učinkovitejšo.

Kakšne posledice ima galijev nitrid za prihodnost?

Kot je omenil Oliver, so telefonski polnilniki GaN že na trgu in raziskovalci želijo izkoristiti ta material za razvoj hitrejših polnilnikov za električna vozila, s čimer bi obravnavali veliko zaskrbljenost potrošnikov glede električnih vozil. "Naprave, kot so električna vozila, se lahko polnijo veliko hitreje," je dejal Oliver. "Za vse, kar zahteva prenosno napajanje in hitro polnjenje, ima galijev nitrid velik potencial."

Galijev nitridlahko tudi izboljša radarske sisteme vojaških letal in brezpilotnih letal, kar jim omogoča prepoznavanje ciljev in groženj z večjih razdalj, ter izboljša učinkovitost strežnikov podatkovnih centrov, kar je ključnega pomena za to, da bo revolucija AI cenovno dostopna in trajnostna.

Glede na togalijev nitridblesti v mnogih pogledih in obstaja že nekaj časa, zakaj industrija mikročipov še naprej gradi okoli silicija? Odgovor, kot vedno, leži v ceni: GaN čipi so dražji in zapleteni za izdelavo. Zmanjšanje stroškov in povečanje proizvodnje bosta zahtevala nekaj časa, vendar si vlada ZDA dejavno prizadeva za zagon te nastajajoče industrije.

Februarja 2024 so Združene države dodelile 1,5 milijarde dolarjev podjetju za proizvodnjo polprevodnikov GlobalFoundries v skladu z zakonom CHIPS and Science Act za razširitev domače proizvodnje čipov.

 Del teh sredstev bo porabljen za nadgradnjo proizvodnega obrata v Vermontu, kar bo omogočilo množično proizvodnjogalijev nitrid(GaN) polprevodniki, zmogljivost, ki trenutno ni realizirana v ZDA. Glede na objavo financiranja bodo ti polprevodniki uporabljeni v električnih vozilih, podatkovnih centrih, pametnih telefonih, električnih omrežjih in drugih tehnologijah. 

Toda tudi če ZDA uspejo obnoviti normalno delovanje celotnega proizvodnega sektorja, bo proizvodnjaGaNčipov je odvisna od stabilne oskrbe z galijem, ki trenutno ni zagotovljena. 

Čeprav galij ni redek – v zemeljski skorji je prisoten v ravneh, primerljivih z bakrom – ne obstaja v velikih nahajališčih, ki jih je mogoče izkopati, kot je baker. Kljub temu je mogoče najti sledove galija v rudah, ki vsebujejo aluminij in cink, kar omogoča njegovo zbiranje med predelavo teh elementov. 

Od leta 2022 je bilo približno 90 % svetovnega galija proizvedenega na Kitajskem. Medtem ZDA ne proizvajajo galija od osemdesetih let prejšnjega stoletja, pri čemer je bilo 53 % galija uvoženega iz Kitajske, preostanek pa iz drugih držav. 

Julija 2023 je Kitajska napovedala, da bo zaradi nacionalne varnosti začela omejevati izvoz galija in drugega materiala, germanija. 

Kitajski predpisi ne prepovedujejo neposredno izvoza galija v ZDA, vendar od morebitnih kupcev zahtevajo, da zaprosijo za dovoljenja in pridobijo odobritev kitajske vlade. 

Ameriški obrambni izvajalci se bodo skoraj zagotovo soočili z zavrnitvami, zlasti če so navedeni na kitajskem "seznamu nezanesljivih subjektov". Zaenkrat se zdi, da so te omejitve povzročile povišanje cen galija in podaljšanje dobavnih rokov za večino proizvajalcev čipov, namesto popolnega pomanjkanja, čeprav se bo Kitajska morda odločila, da bo v prihodnosti poostrila nadzor nad tem materialom. 

ZDA se že dolgo zavedajo tveganj, povezanih z njihovo močno odvisnostjo od Kitajske pri kritičnih mineralih – med sporom z Japonsko leta 2010 je Kitajska začasno prepovedala izvoz redkih zemeljskih kovin. Ko je Kitajska leta 2023 objavila svoje omejitve, so ZDA že raziskovale metode za krepitev svojih dobavnih verig. 

Možne alternative vključujejo uvoz galija iz drugih držav, kot je Kanada (če lahko dovolj povečajo proizvodnjo), in recikliranje materiala iz elektronskih odpadkov – raziskave na tem področju financira Agencija za napredne raziskovalne projekte Ministrstva za obrambo ZDA. 

Možnost je tudi vzpostavitev domače oskrbe z galijem. 

Nyrstar, podjetje s sedežem na Nizozemskem, je navedlo, da bi njegova tovarna cinka v Tennesseeju lahko pridobila dovolj galija, da bi zadostila 80 % trenutnega povpraševanja v ZDA, vendar bi gradnja predelovalnega obrata stala do 190 milijonov dolarjev. Podjetje se trenutno pogaja z ameriško vlado za financiranje širitve.

Potencialni viri galija vključujejo tudi nahajališče v Round Topu v Teksasu. Leta 2021 je Ameriški geološki zavod ocenil, da to nahajališče vsebuje približno 36.500 ton galija – za primerjavo, Kitajska je leta 2022 proizvedla 750 ton galija. 

Običajno se galij pojavlja v sledovih in je izjemno razpršen; vendar je marca 2024 American Critical Materials Corp. odkril nahajališče z relativno visoko koncentracijo visokokakovostnega galija v nacionalnem gozdu Kootenai v Montani. 

Trenutno galij iz Teksasa in Montane še ni bil pridobljen, vendar raziskovalci iz Idaho National Laboratory in American Critical Materials Corp. sodelujejo pri razvoju okolju prijazne metode za pridobivanje tega materiala. 

Galij ni edina možnost za ZDA za izboljšanje tehnologije mikročipov – Kitajska lahko proizvede naprednejše čipe z uporabo nekaterih neomejenih materialov, ki lahko v nekaterih primerih prekašajo čipe na osnovi galija. 

Oktobra 2024 je proizvajalec čipov Wolfspeed zagotovil do 750 milijonov dolarjev sredstev prek zakona o CHIPS za izgradnjo največjega obrata za proizvodnjo čipov iz silicijevega karbida (znanega tudi kot SiC) v ZDA. Ta vrsta čipov je dražja odgalijev nitridvendar je boljša za nekatere aplikacije, kot so sončne elektrarne visoke moči. 

Oliver je za Freethink povedal: »Galijev nitrid deluje zelo dobro pri določenih napetostnih območjih, medtem kosilicijev karbidbolje deluje pri drugih. Torej je odvisno od napetosti in moči, s katero imate opravka.« 

ZDA financirajo tudi raziskave mikročipov, ki temeljijo na širokopasovnih polprevodnikih, ki imajo pasovno vrzel večjo od 3,4 eV. Ti materiali vključujejo diamant, aluminijev nitrid in borov nitrid; čeprav so dragi in zahtevni za obdelavo, lahko čipi iz teh materialov nekega dne ponudijo izjemne nove funkcionalnosti ob nižjih okoljskih stroških.

 »Če govorite o vrstah napetosti, ki bi lahko bile vključene v prenos vetrne energije na morju v omrežje na kopnem,galijev nitridmorda ne bo primeren, saj ne prenese te napetosti,« je pojasnil Oliver. "Materiali, kot je aluminijev nitrid, ki so širokopasovni, lahko."