Badanie przyszłych perspektyw krzemowych chipów półprzewodnikowych

Co definiuje rolę półprzewodników w technologii?

Materiały można klasyfikować na podstawie ich przewodności elektrycznej — prąd łatwo przepływa w przewodnikach, ale nie w izolatorach. Półprzewodniki mieszczą się pomiędzy: mogą przewodzić prąd w określonych warunkach, co czyni je niezwykle przydatnymi w informatyce. Wykorzystując półprzewodniki jako podstawę mikrochipów, możemy kontrolować przepływ energii elektrycznej w urządzeniach, umożliwiając korzystanie ze wszystkich niezwykłych funkcji, na których dzisiaj polegamy.

Od chwili ich powstania,krzemzdominowała branżę chipów i technologii, co doprowadziło do powstania terminu „Dolina Krzemowa”. Jednak może nie być to najodpowiedniejszy materiał dla przyszłych technologii. Aby to zrozumieć, musimy ponownie przyjrzeć się działaniu chipów, obecnym wyzwaniom technologicznym i materiałom, które mogą w przyszłości zastąpić krzem.

W jaki sposób mikrochipy tłumaczą dane wejściowe na język komputerowy?

Mikrochipy są wypełnione maleńkimi przełącznikami zwanymi tranzystorami, które tłumaczą dane wejściowe z klawiatury i programy na język komputerowy — kod binarny. Kiedy przełącznik jest otwarty, może płynąć prąd, co oznacza „1”; gdy jest zamknięty, nie może, co oznacza „0”. Wszystko, co robią współczesne komputery, ostatecznie sprowadza się do tych przełączników.

Przez dziesięciolecia poprawialiśmy moc obliczeniową, zwiększając gęstość tranzystorów w mikrochipach. Podczas gdy pierwszy mikrochip zawierał tylko jeden tranzystor, dziś możemy zamknąć miliardy tych maleńkich przełączników w chipach wielkości paznokcia.

Pierwszy mikrochip został wykonany z germanu, ale przemysł technologiczny szybko to zauważyłkrzembył doskonałym materiałem do produkcji chipów. Do głównych zalet krzemu zalicza się jego obfitość, niski koszt i wyższą temperaturę topnienia, co oznacza, że ​​radzi sobie lepiej w podwyższonych temperaturach. Ponadto krzem można łatwo „domieszkować” innymi materiałami, co pozwala inżynierom na różne sposoby dostosowywanie jego przewodności.

Jakie wyzwania stoją przed krzemem we współczesnej informatyce?

Klasyczna strategia tworzenia szybszych i wydajniejszych komputerów poprzez ciągłe zmniejszanie tranzystorówkrzemchipy zaczynają słabnąć. Deep Jariwala, profesor inżynierii na Uniwersytecie Pensylwanii, stwierdził w wywiadzie dla The Wall Street Journal z 2022 r.: „Chociaż krzem może pracować przy tak małych wymiarach, efektywność energetyczna wymagana do obliczeń rośnie, co czyni go wyjątkowo niezrównoważonym. Z energetycznego punktu widzenia nie ma to już sensu”.

Aby w dalszym ciągu ulepszać naszą technologię bez dalszej szkody dla środowiska, musimy zająć się kwestią zrównoważonego rozwoju. W tym celu niektórzy badacze dokładnie badają chipy wykonane z materiałów półprzewodnikowych innych niż krzem, w tym azotku galu (GaN), związku wytwarzanego z galu i azotu.

Dlaczego azotek galu zyskuje na popularności jako materiał półprzewodnikowy?

Przewodność elektryczna półprzewodników jest różna, głównie ze względu na tak zwaną „przerwę wzbronioną”. Protony i neutrony skupiają się w jądrze, podczas gdy elektrony krążą wokół niego. Aby materiał przewodził prąd, elektrony muszą mieć możliwość przeskakiwania z „pasma walencyjnego” do „pasma przewodnictwa”. Minimalna energia wymagana do tego przejścia określa pasmo wzbronione materiału.

W przewodnikach te dwa obszary nakładają się na siebie, co powoduje brak pasma wzbronionego – elektrony mogą swobodnie przechodzić przez te materiały. W izolatorach pasmo wzbronione jest bardzo duże, co utrudnia elektronom przemieszczanie się nawet przy przyłożonej znacznej energii. Półprzewodniki, podobnie jak krzem, zajmują środek;krzemma pasmo wzbronione 1,12 elektronowoltów (eV), podczas gdy azotek galu ma pasmo wzbronione 3,4 eV, co klasyfikuje go jako „półprzewodnik o szerokim paśmie wzbronionym” (WBGS).

Materiały WBGS są bliższe izolatorom w widmie przewodności, wymagają więcej energii, aby elektrony mogły przemieszczać się między dwoma pasmami, co czyni je nieodpowiednimi do zastosowań przy bardzo niskim napięciu. Jednakże WBGS może działać przy wyższych napięciach, temperaturach i częstotliwościach energii niżna bazie krzemupółprzewodników, dzięki czemu urządzenia, które je wykorzystują, działają szybciej i wydajniej.

Rachel Oliver, dyrektor Cambridge GaN Centre, powiedziała Freethink: „Jeśli położysz rękę na ładowarce telefonu, będzie gorąca; to jest energia marnowana przez chipy krzemowe. Ładowarki GaN są znacznie chłodniejsze w dotyku — marnuje się znacznie mniej energii”.

Gal i jego związki są wykorzystywane w przemyśle technologicznym od dziesięcioleci, w tym w diodach elektroluminescencyjnych, laserach, radarach wojskowych, satelitach i ogniwach słonecznych. Jednakże,azotek galujest obecnie przedmiotem zainteresowania badaczy, którzy mają nadzieję uczynić technologię potężniejszą i bardziej energooszczędną.

Jakie konsekwencje ma azotek galu dla przyszłości?

Jak wspomniał Oliver, ładowarki do telefonów GaN są już dostępne na rynku, a badacze zamierzają wykorzystać ten materiał do opracowania szybszych ładowarek do pojazdów elektrycznych, co stanowi odpowiedź na poważne obawy konsumentów dotyczące pojazdów elektrycznych. „Urządzenia takie jak pojazdy elektryczne mogą ładować się znacznie szybciej” – powiedział Oliver. „W przypadku wszystkiego, co wymaga przenośnego zasilania i szybkiego ładowania, azotek galu ma znaczny potencjał”.

azotek galumoże również ulepszyć systemy radarowe samolotów wojskowych i dronów, umożliwiając im identyfikację celów i zagrożeń z większych odległości, a także poprawić wydajność serwerów w centrach danych, co ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia przystępnej cenowo i zrównoważonej rewolucji AI.

Jeśli się uwzględniazotek galuwyróżnia się pod wieloma względami i istnieje już od jakiegoś czasu, dlaczego przemysł mikrochipów nadal opiera się na krzemie? Odpowiedź, jak zawsze, leży w kosztach: chipy GaN są droższe i bardziej skomplikowane w produkcji. Obniżanie kosztów i skalowanie produkcji zajmie trochę czasu, ale rząd USA aktywnie pracuje nad ożywieniem tej wschodzącej branży.

W lutym 2024 r. Stany Zjednoczone przekazały 1,5 miliarda dolarów firmie produkującej półprzewodniki GlobalFoundries na mocy ustawy CHIPS and Science Act w celu zwiększenia krajowej produkcji chipów.

 Część tych środków zostanie wykorzystana na modernizację zakładu produkcyjnego w Vermont, umożliwiając mu produkcję masowąazotek galupółprzewodniki (GaN) – możliwości, które obecnie nie są realizowane w USA. Zgodnie z ogłoszeniem o finansowaniu półprzewodniki te będą wykorzystywane w pojazdach elektrycznych, centrach danych, smartfonach, sieciach energetycznych i innych technologiach. 

Jednak nawet jeśli Stanom Zjednoczonym uda się przywrócić normalną działalność w całym sektorze produkcyjnym, produkcjaGaNchipów jest uzależnione od stabilnych dostaw galu, co obecnie nie jest gwarantowane. 

Chociaż gal nie jest rzadkością – występuje w skorupie ziemskiej w ilościach porównywalnych z miedzią – nie występuje w dużych, nadających się do wydobycia złożach, takich jak miedź. Niemniej jednak w rudach zawierających glin i cynk można znaleźć śladowe ilości galu, co pozwala na jego gromadzenie podczas obróbki tych pierwiastków. 

Od 2022 r. około 90% światowego galu produkowano w Chinach. Tymczasem Stany Zjednoczone nie produkują galu od lat 80. XX wieku, przy czym 53% galu jest importowane z Chin, a pozostała część pochodzi z innych krajów. 

W lipcu 2023 r. Chiny ogłosiły, że ze względów bezpieczeństwa narodowego zaczną ograniczać eksport galu i innego materiału, germanu. 

Chińskie przepisy nie zakazują wprost eksportu galu do USA, ale nakładają na potencjalnych nabywców obowiązek ubiegania się o pozwolenia i uzyskania zgody chińskiego rządu. 

Prawie na pewno spotkają się z odrzuceniem amerykańskich wykonawców kontraktów w dziedzinie obronności, zwłaszcza jeśli znajdują się na chińskiej „liście niewiarygodnych podmiotów”. Jak dotąd wydaje się, że ograniczenia te spowodowały wzrost cen galu i wydłużenie terminów dostaw dla większości producentów chipów, a nie bezpośrednie niedobory, chociaż Chiny mogą w przyszłości zdecydować się na zwiększenie kontroli nad tym materiałem. 

Stany Zjednoczone od dawna zdają sobie sprawę z ryzyka związanego z dużym uzależnieniem od Chin w zakresie kluczowych minerałów – podczas sporu z Japonią w 2010 r. Chiny tymczasowo zakazały eksportu metali ziem rzadkich. Zanim Chiny ogłosiły swoje ograniczenia w 2023 r., Stany Zjednoczone już badały metody wzmocnienia swoich łańcuchów dostaw. 

Możliwe alternatywy obejmują import galu z innych krajów, takich jak Kanada (jeśli uda im się wystarczająco zwiększyć produkcję) i recykling materiału z odpadów elektronicznych — badania w tej dziedzinie są finansowane przez Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych Departamentu Obrony USA. 

Możliwe jest również utworzenie krajowych dostaw galu. 

Nyrstar, firma z siedzibą w Holandii, wskazała, że ​​jej fabryka cynku w Tennessee byłaby w stanie wydobyć galu w ilości wystarczającej do pokrycia 80% obecnego zapotrzebowania w USA, jednak budowa zakładu przetwórczego kosztowałaby do 190 milionów dolarów. Firma prowadzi obecnie negocjacje z rządem USA w sprawie finansowania ekspansji.

Potencjalne źródła galu obejmują również złoże w Round Top w Teksasie. W 2021 r. US Geological Survey oszacowało, że złoże to zawiera około 36 500 ton galu – dla porównania w 2022 r. Chiny wyprodukowały 750 ton galu. 

Zwykle gal występuje w śladowych ilościach i jest niezwykle rozproszony; Jednak w marcu 2024 r. firma American Critical Materials Corp. odkryła złoże o stosunkowo wysokim stężeniu wysokiej jakości galu w lesie państwowym Kootenai w Montanie. 

Obecnie nie wydobyto jeszcze galu z Teksasu i Montany, ale badacze z Idaho National Laboratory i American Critical Materials Corp. współpracują nad opracowaniem przyjaznej dla środowiska metody otrzymywania tego materiału. 

Gal nie jest jedyną opcją dla USA ulepszenia technologii mikrochipów – Chiny mogą produkować bardziej zaawansowane chipy przy użyciu dowolnych materiałów, które w niektórych przypadkach mogą przewyższać chipy na bazie galu. 

W październiku 2024 r. producent chipów Wolfspeed zabezpieczył w ramach ustawy CHIPS Act kwotę do 750 mln dolarów na budowę największego w USA zakładu produkującego chipy z węglika krzemu (znanego również jako SiC). Ten typ chipów jest droższy niżazotek galuale jest preferowany w niektórych zastosowaniach, takich jak elektrownie słoneczne o dużej mocy. 

Oliver powiedział Freethink: „Azotek galu sprawdza się bardzo dobrze w pewnych zakresach napięciawęglik krzemuradzi sobie lepiej z innymi. Zależy to więc od napięcia i mocy, z jaką masz do czynienia. 

Stany Zjednoczone finansują także badania nad mikrochipami opartymi na półprzewodnikach o szerokim paśmie wzbronionym, które mają pasmo wzbronione większe niż 3,4 eV. Materiały te obejmują diament, azotek glinu i azotek boru; chociaż są one kosztowne i trudne w obróbce, chipy wykonane z tych materiałów mogą pewnego dnia zaoferować niezwykłe nowe funkcje przy niższych kosztach środowiskowych.

 „Jeśli mówisz o rodzajach napięć, które mogą wystąpić podczas przesyłania morskiej energii wiatrowej do sieci lądowej,azotek galumoże nie być odpowiedni, ponieważ nie wytrzyma takiego napięcia” – wyjaśnił Oliver. „Materiały takie jak azotek glinu, który ma szerokie pasmo wzbronione, mogą to zrobić”.