Skúmanie budúcich vyhliadok kremíkových polovodičových čipov

Čo definuje úlohu polovodičov v technológii?

Materiály možno klasifikovať na základe ich elektrickej vodivosti – prúd tečie ľahko vo vodičoch, ale nie v izolátoroch. Polovodiče patria medzi: môžu viesť elektrinu za špecifických podmienok, vďaka čomu sú mimoriadne užitočné vo výpočtovej technike. Využitím polovodičov ako základu pre mikročipy môžeme riadiť tok elektriny v zariadeniach, čo umožňuje všetky pozoruhodné funkcie, na ktoré sa dnes spoliehame.

Od ich vzniku,kremíkaovládol priemysel čipov a technológií, čo viedlo k termínu „Silicon Valley“. Pre budúce technológie to však nemusí byť najvhodnejší materiál. Aby sme to pochopili, musíme sa znova pozrieť na fungovanie čipov, súčasné technologické výzvy a materiály, ktoré môžu v budúcnosti nahradiť kremík.

Ako mikročipy prekladajú vstupy do počítačového jazyka?

Mikročipy sú naplnené malými prepínačmi nazývanými tranzistory, ktoré prekladajú vstupy z klávesnice a softvérové ​​programy do počítačového jazyka – binárneho kódu. Keď je spínač otvorený, prúd môže pretekať, čo predstavuje „1“; keď je zatvorený, nemôže, čo predstavuje „0“. Všetko, čo moderné počítače robia, sa v konečnom dôsledku scvrkáva na tieto prepínače.

Desaťročia sme zdokonaľovali výpočtový výkon zvyšovaním hustoty tranzistorov na mikročipoch. Kým prvý mikročip obsahoval iba jeden tranzistor, dnes dokážeme zapuzdreť miliardy týchto maličkých spínačov do čipov veľkosti nechta.

Prvý mikročip bol vyrobený z germánia, ale technologický priemysel si to rýchlo uvedomilkremíkabol vynikajúcim materiálom na výrobu čipov. Medzi hlavné výhody kremíka patrí jeho množstvo, nízka cena a vyššia teplota topenia, čo znamená, že funguje lepšie pri zvýšených teplotách. Okrem toho sa kremík ľahko „dopuje“ inými materiálmi, čo umožňuje inžinierom upraviť jeho vodivosť rôznymi spôsobmi.

Akým výzvam čelí kremík v modernej výpočtovej technike?

Klasická stratégia vytvárania rýchlejších a výkonnejších počítačov neustálym zmenšovaním tranzistorovkremíkažetóny začínajú ochabovať. Deep Jariwala, profesor inžinierstva na Pensylvánskej univerzite, uviedol v rozhovore pre The Wall Street Journal v roku 2022: „Hoci kremík môže pracovať v takých malých rozmeroch, energetická účinnosť potrebná na výpočet rastie, takže je extrémne neudržateľný. Z energetického hľadiska to už nedáva zmysel.“

Aby sme mohli pokračovať v zlepšovaní našej technológie bez ďalšieho poškodzovania životného prostredia, musíme riešiť tento problém udržateľnosti. V tomto úsilí niektorí výskumníci pozorne skúmajú čipy vyrobené z polovodičových materiálov iných ako kremík, vrátane nitridu gália (GaN), zlúčeniny vyrobenej z gália a dusíka.

Prečo si nitrid gália získava pozornosť ako polovodičový materiál?

Elektrická vodivosť polovodičov sa mení, predovšetkým v dôsledku toho, čo je známe ako „bandgap“. Protóny a neutróny sa zhlukujú v jadre, zatiaľ čo elektróny obiehajú okolo neho. Aby materiál viedol elektrinu, elektróny musia byť schopné preskočiť z „valenčného pásma“ do „vodivého pásma“. Minimálna energia potrebná na tento prechod definuje bandgap materiálu.

Vo vodičoch sa tieto dve oblasti prekrývajú, výsledkom čoho nie je žiadna bandgap – elektróny môžu voľne prechádzať cez tieto materiály. V izolátoroch je pásmová medzera veľmi veľká, čo sťažuje prechod elektrónov aj pri vynaložení významnej energie. Polovodiče, podobne ako kremík, zaberajú strednú pozíciu;kremíkamá bandgap 1,12 elektrónvoltov (eV), zatiaľ čo nitrid gália sa môže pochváliť bandgapom 3,4 eV, čo ho kategorizuje ako „široký bandgap semiconductor“ (WBGS).

Materiály WBGS sú v spektre vodivosti bližšie k izolantom a vyžadujú viac energie na pohyb elektrónov medzi dvoma pásmami, čo ich robí nevhodnými pre aplikácie s veľmi nízkym napätím. WBGS však môže pracovať pri vyšších napätiach, teplotách a energetických frekvenciách akona báze kremíkapolovodičov, čo umožňuje zariadeniam, ktoré ich využívajú, pracovať rýchlejšie a efektívnejšie.

Rachel Oliver, riaditeľka Cambridge GaN Centre, pre Freethink povedala: „Ak položíte ruku na nabíjačku telefónu, bude vám horúca; to je energia, ktorú strácajú kremíkové čipy. Nabíjačky GaN sú na dotyk oveľa chladnejšie – výrazne menej zbytočnej energie.“

Gálium a jeho zlúčeniny sa v technologickom priemysle využívajú už desaťročia, vrátane diód vyžarujúcich svetlo, laserov, vojenských radarov, satelitov a solárnych článkov. však,nitrid gáliaje v súčasnosti stredobodom pozornosti výskumníkov, ktorí dúfajú, že technológie budú výkonnejšie a energeticky efektívnejšie.

Aké dôsledky má nitrid gália pre budúcnosť?

Ako Oliver spomenul, nabíjačky telefónov GaN sú už na trhu a výskumníci sa snažia využiť tento materiál na vývoj rýchlejších nabíjačiek pre elektrické vozidlá, čím riešia významné obavy spotrebiteľov týkajúce sa elektrických vozidiel. „Zariadenia ako elektrické vozidlá sa môžu nabíjať oveľa rýchlejšie,“ povedal Oliver. "Pre čokoľvek, čo vyžaduje prenosné napájanie a rýchle nabíjanie, má nitrid gália významný potenciál."

Nitrid gáliamôže tiež vylepšiť radarové systémy vojenských lietadiel a dronov, čo im umožní identifikovať ciele a hrozby z väčších vzdialeností, a zlepšiť efektivitu serverov dátových centier, čo je kľúčové pre to, aby bola revolúcia AI dostupná a udržateľná.

Vzhľadom na tonitrid gáliavyniká v mnohých aspektoch a existuje už nejaký čas, prečo sa priemysel mikročipov naďalej buduje okolo kremíka? Odpoveď, ako vždy, spočíva v nákladoch: čipy GaN sú drahšie a zložitejšie na výrobu. Zníženie nákladov a škálovanie výroby si vyžiada čas, ale vláda USA aktívne pracuje na naštartovaní tohto vznikajúceho odvetvia.

Vo februári 2024 Spojené štáty pridelili 1,5 miliardy dolárov spoločnosti GlobalFoundries na výrobu polovodičov podľa zákona o čipoch a vede na rozšírenie domácej výroby čipov.

 Časť týchto prostriedkov sa použije na modernizáciu výrobného závodu vo Vermonte, ktorý mu umožní sériovú výrobunitrid gália(GaN) polovodiče, čo je schopnosť, ktorá sa v súčasnosti v USA nerealizuje. Podľa oznámenia o financovaní sa tieto polovodiče budú využívať v elektrických vozidlách, dátových centrách, smartfónoch, energetických sieťach a iných technológiách. 

Avšak, aj keď sa USA podarí obnoviť normálnu prevádzku vo svojom výrobnom sektore, produkciaGaNčipov je podmienená stabilnými dodávkami gália, ktoré v súčasnosti nie sú zaručené. 

Aj keď gálium nie je zriedkavé – je prítomné v zemskej kôre na úrovniach porovnateľných s meďou – neexistuje vo veľkých, ťažiteľných ložiskách, ako je meď. Stopové množstvá gália však možno nájsť v rudách obsahujúcich hliník a zinok, čo umožňuje jeho zhromažďovanie počas spracovania týchto prvkov. 

Od roku 2022 sa približne 90 % svetového gália vyrábalo v Číne. Medzitým USA nevyrábajú gálium od 80. rokov 20. storočia, pričom 53 % gália sa dováža z Číny a zvyšok pochádza z iných krajín. 

V júli 2023 Čína oznámila, že z dôvodov národnej bezpečnosti začne obmedzovať vývoz gália a ďalšieho materiálu, germánia. 

Čínske predpisy priamo nezakazujú vývoz gália do USA, ale vyžadujú, aby potenciálni kupci požiadali o povolenia a získali súhlas od čínskej vlády. 

Americkí dodávatelia obrany budú takmer určite čeliť odmietnutiu, najmä ak sú uvedení na čínskom „zozname nespoľahlivých subjektov“. Zatiaľ sa zdá, že tieto obmedzenia viedli k zvýšeniu cien gália a predĺženiu dodacích lehôt pre väčšinu výrobcov čipov, a nie k úplnému nedostatku, hoci Čína sa môže v budúcnosti rozhodnúť sprísniť svoju kontrolu nad týmto materiálom. 

USA si už dlho uvedomujú riziká spojené s ich veľkou závislosťou od Číny, pokiaľ ide o kritické nerasty – počas sporu s Japonskom v roku 2010 Čína dočasne zakázala vývoz kovov vzácnych zemín. V čase, keď Čína v roku 2023 oznámila svoje obmedzenia, USA už skúmali metódy na posilnenie svojich dodávateľských reťazcov. 

Medzi možné alternatívy patrí dovoz gália z iných krajín, ako je Kanada (ak dokážu dostatočne zvýšiť produkciu) a recyklácia materiálu z elektronického odpadu – výskum v tejto oblasti financuje Agentúra pre pokročilé výskumné projekty Ministerstva obrany USA. 

Možnosťou je aj vytvorenie domácej dodávky gália. 

Nyrstar, spoločnosť so sídlom v Holandsku, uviedla, že jej závod na výrobu zinku v Tennessee by mohol vyťažiť dostatok gália na pokrytie 80% súčasného dopytu v USA, ale výstavba spracovateľského zariadenia by stála až 190 miliónov dolárov. Spoločnosť v súčasnosti rokuje s vládou USA o financovaní expanzie.

Medzi potenciálne zdroje gália patrí aj ložisko v Round Top v Texase. V roku 2021 americký geologický prieskum odhadol, že toto ložisko obsahuje približne 36 500 ton gália – na porovnanie, Čína v roku 2022 vyprodukovala 750 ton gália. 

Typicky sa gálium vyskytuje v stopových množstvách a je extrémne rozptýlené; v marci 2024 však spoločnosť American Critical Materials Corp. objavila ložisko s relatívne vysokou koncentráciou vysoko kvalitného gália v národnom lese Kootenai v Montane. 

V súčasnosti sa gálium z Texasu a Montany ešte musí extrahovať, ale výskumníci z Idaho National Laboratory a American Critical Materials Corp. spolupracujú na vývoji metódy šetrnej k životnému prostrediu na získanie tohto materiálu. 

Gálium nie je jedinou možnosťou pre USA na zlepšenie technológie mikročipov – Čína môže vyrábať pokročilejšie čipy pomocou niektorých neobmedzených materiálov, ktoré v niektorých prípadoch môžu prekonať čipy na báze gália. 

V októbri 2024 zabezpečil výrobca čipov Wolfspeed až 750 miliónov dolárov prostredníctvom zákona o CHIPS Act na vybudovanie najväčšieho závodu na výrobu čipov z karbidu kremíka (známeho aj ako SiC) v USA. Tento typ čipu je drahší akonitrid gáliaale je vhodnejší pre určité aplikácie, ako sú napríklad vysokovýkonné solárne elektrárne. 

Oliver pre Freethink povedal: „Nitrid gália funguje veľmi dobre v určitých rozsahoch napätiakarbid kremíkafunguje lepšie u ostatných. Takže to závisí od napätia a výkonu, s ktorým máte čo do činenia.“ 

USA tiež financujú výskum mikročipov založených na širokopásmových polovodičoch, ktoré majú pásmový rozdiel väčší ako 3,4 eV. Tieto materiály zahŕňajú diamant, nitrid hliníka a nitrid bóru; Aj keď sú čipy vyrobené z týchto materiálov nákladné a náročné na spracovanie, jedného dňa môžu ponúknuť pozoruhodné nové funkcie pri nižších environmentálnych nákladoch.

 „Ak hovoríte o typoch napätí, ktoré by sa mohli podieľať na prenose veternej energie na mori do pobrežnej siete,nitrid gálianemusí byť vhodný, pretože nezvláda toto napätie,“ vysvetlil Oliver. "Materiály ako nitrid hliníka, ktoré majú široké pásmo, môžu."