Вивчення майбутніх перспектив кремнієвих напівпровідникових мікросхем

Чим визначається роль напівпровідників у техніці?

Матеріали можна класифікувати на основі їх електропровідності — струм легко протікає в провідниках, але не в ізоляторах. Напівпровідники знаходяться між ними: вони можуть проводити електрику за певних умов, що робить їх надзвичайно корисними в обчисленнях. Використовуючи напівпровідники як основу для мікрочіпів, ми можемо контролювати потік електроенергії всередині пристроїв, забезпечуючи всі чудові функції, на які ми покладаємось сьогодні.

З моменту їх заснування,кремнійдомінувала в індустрії мікросхем і технологій, що призвело до появи терміну «Кремнієва долина». Однак це може бути не найкращий матеріал для майбутніх технологій. Щоб зрозуміти це, ми повинні переглянути, як функціонують чіпи, поточні технологічні виклики та матеріали, які можуть замінити кремній у майбутньому.

Як мікрочіпи перекладають вхідні дані на комп’ютерну мову?

Мікрочіпи наповнені крихітними перемикачами, які називаються транзисторами, які перетворюють введення з клавіатури та програмне забезпечення на комп’ютерну мову — двійковий код. Коли перемикач розімкнутий, струм може протікати, що представляє «1»; коли він закритий, він не може, представляючи «0». Усе, що роблять сучасні комп’ютери, зрештою зводиться до цих перемикачів.

Протягом десятиліть ми вдосконалювали обчислювальну потужність, збільшуючи щільність транзисторів на мікросхемах. Хоча перший мікрочіп містив лише один транзистор, сьогодні ми можемо інкапсулювати мільярди цих крихітних перемикачів у мікросхемах розміром із ніготь.

Перший мікрочіп був зроблений з германію, але індустрія технологій швидко це зрозумілакремнійбув найкращим матеріалом для виробництва мікросхем. Основні переваги кремнію включають його велику кількість, низьку вартість і вищу температуру плавлення, що означає, що він краще працює при підвищених температурах. Крім того, кремній легко «легувати» іншими матеріалами, що дозволяє інженерам регулювати його провідність різними способами.

З якими проблемами стикається кремній у сучасних обчисленнях?

Класична стратегія створення швидших і потужніших комп’ютерів шляхом постійного зменшення транзисторівкремнійчіпси починають хитатися. Діп Джарівала, професор інженерії в Університеті Пенсільванії, заявив у 2022 році в інтерв’ю The Wall Street Journal: «Хоча кремній може працювати з такими малими розмірами, енергоефективність, необхідна для обчислень, зростає, що робить його вкрай нежиттєздатним. З енергетичної точки зору це більше не має сенсу».

Щоб продовжувати вдосконалювати нашу технологію без подальшої шкоди навколишньому середовищу, ми повинні вирішити цю проблему сталого розвитку. З цією метою деякі дослідники уважно вивчають мікросхеми, виготовлені з напівпровідникових матеріалів, відмінних від кремнію, включаючи нітрид галію (GaN), сполуку, виготовлену з галію та азоту.

Чому нітрид галію привертає увагу як напівпровідниковий матеріал?

Електропровідність напівпровідників змінюється, головним чином через так звану «зонну заборону». Протони і нейтрони згруповуються в ядрі, а електрони обертаються навколо нього. Щоб матеріал проводив електрику, електрони повинні мати можливість переходити з «валентної зони» в «зону провідності». Мінімальна енергія, необхідна для цього переходу, визначає ширину забороненої зони матеріалу.

У провідниках ці дві області перекриваються, що призводить до відсутності забороненої зони — електрони можуть вільно проходити через ці матеріали. В ізоляторах ширина забороненої зони дуже велика, що ускладнює проходження електронів навіть із застосуванням значної енергії. Напівпровідники, як і кремній, займають золоту середину;кремніймає ширину забороненої зони 1,12 електрон-вольт (еВ), тоді як нітрид галію може похвалитися шириною забороненої зони 3,4 еВ, що класифікує його як «широкозонний напівпровідник» (WBGS).

Матеріали WBGS є ближчими до ізоляторів у спектрі провідності, вимагаючи більше енергії для електронів для переміщення між двома смугами, що робить їх непридатними для застосувань із дуже низькою напругою. Однак WBGS може працювати при вищих напругах, температурах і частотах енергії, ніжна основі кремніюнапівпровідників, що дозволяє пристроям, які їх використовують, працювати швидше та ефективніше.

Рейчел Олівер, директор Cambridge GaN Centre, сказала Freethink: «Якщо ви покладете руку на зарядний пристрій для телефону, він стане гарячим; це енергія, яку витрачають кремнієві чіпи. Зарядні пристрої GaN набагато холодніші на дотик — значно менше витрачається енергії».

Галій та його сполуки десятиліттями використовуються в технологічній промисловості, зокрема у світлодіодах, лазерах, військових радарах, супутниках і сонячних елементах. однак,нітрид галіюзараз в центрі уваги дослідників, які сподіваються зробити технологію потужнішою та енергоефективнішою.

Які значення для майбутнього матиме нітрид галію?

Як згадав Олівер, зарядні пристрої для телефонів GaN вже є на ринку, і дослідники прагнуть використати цей матеріал для розробки швидших зарядних пристроїв для електромобілів, вирішуючи значне занепокоєння споживачів щодо електромобілів. «Такі пристрої, як електромобілі, можуть заряджатися набагато швидше», — сказав Олівер. «Для всього, що потребує портативного живлення та швидкої зарядки, нітрид галію має значний потенціал».

Нітрид галіютакож може покращити радіолокаційні системи військових літаків і безпілотників, дозволяючи їм ідентифікувати цілі та загрози з великих відстаней, а також підвищити ефективність серверів центрів обробки даних, що має вирішальне значення для того, щоб зробити революцію ШІ доступною та стійкою.

Враховуючи ценітрид галіюперевершує в багатьох аспектах і існує вже деякий час, чому індустрія мікрочіпів продовжує будувати навколо кремнію? Відповідь, як завжди, криється у вартості: чіпи GaN дорожчі та складніші у виробництві. Зменшення витрат і масштабування виробництва займе час, але уряд США активно працює над запуском цієї індустрії, що розвивається.

У лютому 2024 року Сполучені Штати виділили 1,5 мільярда доларів компанії з виробництва напівпровідників GlobalFoundries відповідно до Закону про CHIPS і науку для розширення внутрішнього виробництва мікросхем.

 Частина цих коштів буде використана для модернізації виробничих потужностей у Вермонті, що дасть змогу масово вироблятинітрид галію(GaN) напівпровідники, можливості, які наразі не реалізовані в США. Згідно з оголошенням про фінансування, ці напівпровідники будуть використовуватися в електромобілях, центрах обробки даних, смартфонах, електромережах та інших технологіях. 

Однак, навіть якщо США вдасться відновити нормальну роботу у своєму виробничому секторі, виробництвоGaNмікросхем залежить від стабільного постачання галію, яке наразі не гарантується. 

Хоча галій не є рідкістю — він присутній у земній корі на рівнях, порівнянних з міддю, — він не існує у великих родовищах, які можна видобувати, як мідь. Тим не менш, слідові кількості галію можна знайти в рудах, що містять алюміній і цинк, що дозволяє збирати його під час переробки цих елементів. 

Станом на 2022 рік приблизно 90% світового галію вироблялося в Китаї. Тим часом США не виробляють галій з 1980-х років, 53% галію імпортується з Китаю, а решта надходить з інших країн. 

У липні 2023 року Китай оголосив, що почне обмежувати експорт галію та іншого матеріалу, германію, з міркувань національної безпеки. 

Положення Китаю прямо не забороняють експорт галію до США, але вимагають від потенційних покупців подати заявку на отримання дозволу та отримати дозвіл від уряду Китаю. 

Американські оборонні підрядники майже напевно зіткнуться з відмовою, особливо якщо вони внесені до «списку ненадійних організацій» Китаю. Поки що ці обмеження, схоже, призвели до підвищення цін на галій і подовження термінів доставки замовлень для більшості виробників чіпів, а не до повного дефіциту, хоча Китай може вирішити посилити свій контроль над цим матеріалом у майбутньому. 

США давно усвідомлювали ризики, пов’язані з їх сильною залежністю від Китаю щодо важливих мінералів — під час суперечки з Японією в 2010 році Китай тимчасово заборонив експорт рідкоземельних металів. На той час, коли Китай оголосив про свої обмеження у 2023 році, США вже вивчали методи зміцнення своїх ланцюжків поставок. 

Серед можливих альтернатив — імпорт галію з інших країн, наприклад Канади (якщо вони зможуть достатньо збільшити виробництво), і переробка матеріалу з електронних відходів — дослідження в цій галузі фінансуються Агентством передових дослідницьких проектів Міністерства оборони США. 

Налагодження внутрішніх поставок галію також є варіантом. 

Компанія Nyrstar, що базується в Нідерландах, вказала, що її цинковий завод у Теннессі може видобувати достатньо галію, щоб задовольнити 80% поточного попиту в США, але будівництво переробного підприємства коштуватиме до 190 мільйонів доларів. Зараз компанія веде переговори з урядом США щодо фінансування розширення.

Потенційні джерела галію також включають родовище в Раунд Топ, Техас. У 2021 році Геологічна служба США підрахувала, що це родовище містить приблизно 36 500 тонн галію — для порівняння, у 2022 році Китай видобув 750 тонн галію. 

Як правило, галій зустрічається в слідових кількостях і надзвичайно розсіяний; однак у березні 2024 року American Critical Materials Corp. виявила родовище з відносно високою концентрацією високоякісного галію в національному лісі Кутенай у Монтані. 

Наразі галій із Техасу та Монтани ще не видобуто, але дослідники з Національної лабораторії Айдахо та American Critical Materials Corp. співпрацюють, щоб розробити екологічно чистий метод отримання цього матеріалу. 

Галій — не єдиний варіант для США вдосконалити технологію мікрочіпів — Китай може виробляти більш досконалі мікросхеми з використанням деяких необмежених матеріалів, які в деяких випадках можуть перевершити мікросхеми на основі галію. 

У жовтні 2024 року виробник чіпів Wolfspeed отримав до 750 мільйонів доларів фінансування через закон CHIPS для будівництва найбільшого заводу з виробництва чіпів із карбіду кремнію (також відомого як SiC) у США. Цей тип чіпів дорожчий, ніжнітрид галіюале є кращим для певних застосувань, таких як потужні сонячні електростанції. 

Олівер сказав Freethink: «Нітрид галію дуже добре працює в певних діапазонах напругикарбід кремніюкраще працює на інших. Тож це залежить від напруги та потужності, з якими ви маєте справу». 

США також фінансують дослідження мікрочіпів на основі широкозонних напівпровідників, які мають ширину забороненої зони понад 3,4 еВ. Ці матеріали включають алмаз, нітрид алюмінію та нітрид бору; Хоча вони дорогі та складні в обробці, чіпи, виготовлені з цих матеріалів, одного дня можуть запропонувати чудові нові функції за менших екологічних витрат.

 «Якщо ви говорите про типи напруг, які можуть бути задіяні в передачі офшорної вітрової енергії до наземної мережі,нітрид галіюможе бути непридатним, оскільки він не може витримувати таку напругу», – пояснив Олівер. «Матеріали, такі як нітрид алюмінію, які є широкозонними, можуть».