Utforsking av fremtidsutsiktene til silisiumhalvlederbrikker

Hva definerer rollen til halvledere i teknologi?

Materialer kan klassifiseres basert på deres elektriske ledningsevne - strømmen flyter lett i ledere, men kan ikke i isolatorer. Halvledere faller i mellom: de kan lede elektrisitet under spesifikke forhold, noe som gjør dem ekstremt nyttige i databehandling. Ved å bruke halvledere som grunnlaget for mikrobrikker, kan vi kontrollere strømmen av elektrisitet i enheter, og muliggjøre alle de bemerkelsesverdige funksjonene vi er avhengige av i dag.

Siden deres oppstart,silisiumhar dominert brikke- og teknologiindustrien, noe som fører til begrepet "Silicon Valley." Imidlertid er det kanskje ikke det mest passende materialet for fremtidige teknologier. For å forstå dette må vi se på hvordan brikker fungerer, dagens teknologiske utfordringer og materialene som kan erstatte silisium i fremtiden.

Hvordan oversetter mikrobrikker inndata til dataspråk?

Mikrobrikker er fylt med bittesmå brytere kalt transistorer, som oversetter tastaturinndata og programvare til dataspråk - binær kode. Når en bryter er åpen, kan strømmen flyte, som representerer en '1'; når den er lukket, kan den ikke representere en '0'. Alt moderne datamaskiner gjør, koker til syvende og sist ned til disse bryterne.

I flere tiår har vi forbedret datakraften ved å øke tettheten av transistorer på mikrobrikker. Mens den første mikrobrikken inneholdt bare én transistor, kan vi i dag kapsle inn milliarder av disse bittesmå bryterne i brikker på størrelse med en negl.

Den første mikrobrikken var laget av germanium, men teknologiindustrien innså det rasktsilisiumvar et overlegent materiale for chipproduksjon. Silisiums primære fordeler inkluderer dets overflod, lave kostnader og høyere smeltepunkt, noe som betyr at det yter bedre ved høye temperaturer. I tillegg er silisium lett å "dopes" med andre materialer, slik at ingeniører kan justere ledningsevnen på forskjellige måter.

Hvilke utfordringer møter silisium i moderne databehandling?

Den klassiske strategien for å lage raskere, kraftigere datamaskiner ved å kontinuerlig krympe transistorenesilisiumsjetonger begynner å vakle. Deep Jariwala, professor i ingeniørfag ved University of Pennsylvania, uttalte i et intervju i 2022 med The Wall Street Journal, "Selv om silisium kan fungere i så små dimensjoner, har energieffektiviteten som kreves for en beregning økt, noe som gjør den ekstremt uholdbar. Fra et energisynspunkt gir det ikke lenger mening."

For å fortsette å forbedre teknologien vår uten å skade miljøet ytterligere, må vi ta tak i dette bærekraftsproblemet. I denne jakten undersøker noen forskere nøye brikker laget av andre halvledermaterialer enn silisium, inkludert galliumnitrid (GaN), en forbindelse laget av gallium og nitrogen.

Hvorfor får galliumnitrid oppmerksomhet som et halvledermateriale?

Den elektriske ledningsevnen til halvledere varierer, først og fremst på grunn av det som er kjent som "båndgapet". Protoner og nøytroner grupperer seg i kjernen, mens elektroner går i bane rundt den. For at et materiale skal lede elektrisitet, må elektroner kunne hoppe fra "valensbåndet" til "ledningsbåndet". Minimumsenergien som kreves for denne overgangen definerer materialets båndgap.

I ledere overlapper disse to områdene, noe som resulterer i ingen båndgap - elektroner kan passere fritt gjennom disse materialene. I isolatorer er båndgapet veldig stort, noe som gjør det vanskelig for elektroner å krysse selv med betydelig energi påført. Halvledere, som silisium, opptar en mellomting;silisiumhar et båndgap på 1,12 elektronvolt (eV), mens galliumnitrid har et båndgap på 3,4 eV, og kategoriserer det som en "wide bandgap semiconductor" (WBGS).

WBGS-materialer er nærmere isolatorer i konduktivitetsspekteret, og krever mer energi for elektroner å bevege seg mellom de to båndene, noe som gjør dem uegnet for applikasjoner med svært lav spenning. Imidlertid kan WBGS operere ved høyere spenninger, temperaturer og energifrekvenser ennsilisiumbaserthalvledere, slik at enheter som bruker dem kan kjøre raskere og mer effektivt.

Rachel Oliver, direktør for Cambridge GaN Centre, sa til Freethink: «Hvis du legger hånden på en telefonlader, vil den føles varm; det er energien som kastes bort av silisiumbrikker. GaN-ladere føles mye kjøligere å ta på – det er betydelig mindre bortkastet energi.»

Gallium og dets forbindelser har blitt brukt i teknologiindustrien i flere tiår, inkludert i lysemitterende dioder, lasere, militær radar, satellitter og solceller. Imidlertidgalliumnitrider for tiden i fokus for forskere som håper å gjøre teknologien mer kraftfull og energieffektiv.

Hvilke implikasjoner har galliumnitrid for fremtiden?

Som Oliver nevnte, er GaN-telefonladere allerede på markedet, og forskere tar sikte på å utnytte dette materialet til å utvikle raskere ladere for elektriske kjøretøyer, og adressere en betydelig forbrukerproblematikk angående elektriske kjøretøy. "Enheter som elektriske kjøretøy kan lades mye raskere," sa Oliver. "For alt som krever bærbar strøm og rask lading, har galliumnitrid et betydelig potensial."

Galliumnitridkan også forbedre radarsystemene til militære fly og droner, slik at de kan identifisere mål og trusler fra større avstander, og forbedre effektiviteten til datasenterservere, noe som er avgjørende for å gjøre AI-revolusjonen rimelig og bærekraftig.

Gitt detgalliumnitridutmerker seg i mange aspekter og har eksistert en stund, hvorfor fortsetter mikrochipindustrien å bygge rundt silisium? Svaret, som alltid, ligger i kostnadene: GaN-brikker er dyrere og mer komplekse å produsere. Å redusere kostnader og skalere produksjonen vil ta tid, men den amerikanske regjeringen jobber aktivt for å kickstarte denne fremvoksende industrien.

I februar 2024 bevilget USA 1,5 milliarder dollar til halvlederproduksjonsselskapet GlobalFoundries under CHIPS and Science Act for å utvide innenlandsk brikkeproduksjon.

 En del av disse midlene vil bli brukt til å oppgradere et produksjonsanlegg i Vermont, slik at det kan masseproduseregalliumnitrid(GaN) halvledere, en funksjon som foreløpig ikke er realisert i USA. I følge finansieringskunngjøringen vil disse halvlederne bli brukt i elektriske kjøretøy, datasentre, smarttelefoner, strømnett og andre teknologier. 

Men selv om USA klarer å gjenopprette normal drift på tvers av sin produksjonssektor, vil produksjonen avGaNsjetonger er betinget av en stabil tilgang på gallium, noe som foreløpig ikke er garantert. 

Selv om gallium ikke er sjelden - det er tilstede i jordskorpen på nivåer som kan sammenlignes med kobber - eksisterer det ikke i store, utvinnbare forekomster som kobber. Ikke desto mindre kan spormengder av gallium finnes i malmer som inneholder aluminium og sink, noe som gjør det mulig å samle det under behandlingen av disse elementene. 

Fra 2022 ble omtrent 90 % av verdens gallium produsert i Kina. I mellomtiden har ikke USA produsert gallium siden 1980-tallet, med 53% av galliumet importert fra Kina og resten hentet fra andre land. 

I juli 2023 kunngjorde Kina at de ville begynne å begrense eksporten av gallium og et annet materiale, germanium, av nasjonale sikkerhetsgrunner. 

Kinas regelverk forbyr ikke direkte eksport av gallium til USA, men de krever at potensielle kjøpere søker om tillatelser og får godkjenning fra den kinesiske regjeringen. 

Amerikanske forsvarsentreprenører er nesten sikre på å møte avslag, spesielt hvis de er oppført på Kinas "upålitelige enhetsliste." Så langt ser disse restriksjonene ut til å ha resultert i økte galliumpriser og utvidede ordreleveringstider for de fleste brikkeprodusenter, snarere enn en direkte mangel, selv om Kina kan velge å stramme kontrollen over dette materialet i fremtiden. 

USA har lenge erkjent risikoen forbundet med sin store avhengighet av Kina for kritiske mineraler - under en tvist med Japan i 2010 forbød Kina midlertidig eksport av sjeldne jordmetaller. Da Kina kunngjorde sine restriksjoner i 2023, undersøkte USA allerede metoder for å styrke sine forsyningskjeder. 

Mulige alternativer inkluderer import av gallium fra andre land, for eksempel Canada (hvis de kan øke produksjonen tilstrekkelig), og resirkulering av materialet fra elektronisk avfall - forskning på dette området finansieres av det amerikanske forsvarsdepartementets Advanced Research Projects Agency. 

Etablering av en innenlandsk forsyning av gallium er også et alternativ. 

Nyrstar, et selskap basert i Nederland, indikerte at sinkfabrikken i Tennessee kunne utvinne nok gallium til å dekke 80 % av dagens etterspørsel i USA, men å bygge prosessanlegget vil koste opptil 190 millioner dollar. Selskapet forhandler for tiden med den amerikanske regjeringen om utvidelsesfinansiering.

Potensielle galliumkilder inkluderer også et forekomst i Round Top, Texas. I 2021 estimerte U.S. Geological Survey at denne forekomsten inneholder omtrent 36 500 tonn gallium - til sammenligning produserte Kina 750 tonn gallium i 2022. 

Vanligvis forekommer gallium i spormengder og er ekstremt spredt; i mars 2024 oppdaget American Critical Materials Corp. imidlertid en forekomst med en relativt høy konsentrasjon av høykvalitets gallium i Kootenai National Forest i Montana. 

Foreløpig har gallium fra Texas og Montana ennå ikke blitt utvunnet, men forskere fra Idaho National Laboratory og American Critical Materials Corp. samarbeider om å utvikle en miljøvennlig metode for å skaffe dette materialet. 

Gallium er ikke det eneste alternativet for USA for å forbedre mikrobrikketeknologien – Kina kan produsere mer avanserte brikker ved å bruke noen ubegrensede materialer, som i noen tilfeller kan overgå galliumbaserte brikker. 

I oktober 2024 sikret brikkeprodusenten Wolfspeed opptil 750 millioner dollar i finansiering gjennom CHIPS Act for å bygge det største silisiumkarbid-brikkeproduksjonsanlegget (også kjent som SiC) i USA. Denne typen brikker er dyrere enngalliumnitridmen er å foretrekke for visse bruksområder, for eksempel solenergianlegg med høy effekt. 

Oliver fortalte Freethink, "Galliumnitrid fungerer veldig bra i visse spenningsområder, menssilisiumkarbidpresterer bedre på andre. Så det avhenger av spenningen og kraften du har å gjøre med." 

USA finansierer også forskning på mikrobrikker basert på halvledere med brede båndgap, som har et båndgap større enn 3,4 eV. Disse materialene inkluderer diamant, aluminiumnitrid og bornitrid; selv om de er kostbare og utfordrende å behandle, kan chips laget av disse materialene en dag tilby bemerkelsesverdige nye funksjoner til lavere miljøkostnader.

 "Hvis du snakker om hvilke typer spenninger som kan være involvert i å overføre offshore vindkraft til landnettet,galliumnitrider kanskje ikke egnet, siden den ikke kan håndtere den spenningen,» forklarte Oliver. "Materialer som aluminiumnitrid, som har store båndgap, kan."