Проучване на бъдещите перспективи на силициевите полупроводникови чипове

Какво определя ролята на полупроводниците в технологиите?

Материалите могат да бъдат класифицирани въз основа на тяхната електрическа проводимост - токът протича лесно в проводниците, но не и в изолаторите. Полупроводниците са по средата: те могат да провеждат електричество при определени условия, което ги прави изключително полезни в компютрите. Като използваме полупроводници като основа за микрочипове, ние можем да контролираме потока на електричество в устройствата, позволявайки всички забележителни функции, на които разчитаме днес.

От самото им създаване,силицийдоминира в индустрията за чипове и технологии, което води до термина „Силиконовата долина“. Може обаче да не е най-подходящият материал за бъдещи технологии. За да разберем това, трябва да преразгледаме как функционират чиповете, настоящите технологични предизвикателства и материалите, които могат да заменят силиция в бъдеще.

Как микрочиповете превеждат входовете на компютърен език?

Микрочиповете са пълни с малки превключватели, наречени транзистори, които превеждат входовете от клавиатурата и софтуерните програми на компютърен език - двоичен код. Когато ключът е отворен, може да тече ток, представляващ „1“; когато е затворен, не може, представлявайки „0“. Всичко, което съвременните компютри правят, в крайна сметка се свежда до тези превключватели.

В продължение на десетилетия подобряваме изчислителната мощност чрез увеличаване на плътността на транзисторите в микрочиповете. Докато първият микрочип съдържаше само един транзистор, днес можем да капсулираме милиарди от тези малки ключове в чипове с размера на нокът.

Първият микрочип беше направен от германий, но технологичната индустрия бързо разбра товасилицийбеше превъзходен материал за производство на чипове. Основните предимства на силиция включват неговото изобилие, ниска цена и по-висока точка на топене, което означава, че работи по-добре при повишени температури. Освен това, силицийът е лесен за „допиране“ с други материали, което позволява на инженерите да регулират неговата проводимост по различни начини.

Пред какви предизвикателства е изправен силиконът в съвременните компютри?

Класическата стратегия за създаване на по-бързи и по-мощни компютри чрез непрекъснато свиване на транзисторитесилицийчиповете започват да фалират. Дийп Джаривала, професор по инженерство в Университета на Пенсилвания, заяви в интервю за The Wall Street Journal през 2022 г.: „Докато силицийът може да работи при толкова малки размери, енергийната ефективност, необходима за изчисление, нараства, което го прави изключително неустойчив. От енергийна гледна точка вече няма смисъл.”

За да продължим да подобряваме нашата технология, без да навредим допълнително на околната среда, трябва да се справим с този проблем с устойчивостта. В това преследване някои изследователи внимателно изследват чипове, направени от полупроводникови материали, различни от силиций, включително галиев нитрид (GaN), съединение, направено от галий и азот.

Защо галиевият нитрид привлича вниманието като полупроводников материал?

Електрическата проводимост на полупроводниците варира, главно поради това, което е известно като "забранена зона". Протоните и неутроните се групират в ядрото, докато електроните обикалят около него. За да може даден материал да провежда електричество, електроните трябва да могат да прескачат от „валентната лента“ към „проводимата лента“. Минималната енергия, необходима за този преход, определя ширината на лентата на материала.

В проводниците тези две области се припокриват, което води до липса на забранена лента - електроните могат да преминават свободно през тези материали. В изолаторите забранената зона е много голяма, което затруднява преминаването на електроните дори при приложена значителна енергия. Полупроводниците, подобно на силиция, заемат средно място;силицийима ширина на лентата от 1,12 електронволта (eV), докато галиевият нитрид може да се похвали с ширина на лентата от 3,4 eV, което го категоризира като „полупроводник с широка ширина на лентата“ (WBGS).

WBGS материалите са по-близо до изолаторите в спектъра на проводимост, изисквайки повече енергия за електроните да се движат между двете ленти, което ги прави неподходящи за приложения с много ниско напрежение. WBGS обаче може да работи при по-високи напрежения, температури и енергийни честоти отбазирани на силицийполупроводници, което позволява на устройствата, които ги използват, да работят по-бързо и по-ефективно.

Рейчъл Оливър, директор на Cambridge GaN Centre, каза пред Freethink: „Ако поставите ръката си върху зарядно за телефон, ще се почувствате горещо; това е енергията, която се губи от силиконовите чипове. GaN зарядните устройства се чувстват много по-хладни на допир – има значително по-малко загуба на енергия.“

Галият и неговите съединения се използват в технологичната индустрия от десетилетия, включително в диоди, излъчващи светлина, лазери, военни радари, сателити и слънчеви клетки. обачегалиев нитридв момента е фокусът на изследователите, които се надяват да направят технологията по-мощна и енергийно ефективна.

Какви последици има галиевият нитрид за бъдещето?

Както спомена Оливър, GaN зарядните устройства за телефони вече са на пазара и изследователите имат за цел да използват този материал, за да разработят по-бързи зарядни устройства за електрически превозни средства, адресирайки значителна загриженост на потребителите относно електрическите превозни средства. „Устройства като електрически превозни средства могат да се зареждат много по-бързо“, каза Оливър. „За всичко, което изисква преносимо захранване и бързо зареждане, галиевият нитрид има значителен потенциал.“

Галиев нитридможе също така да подобри радарните системи на военни самолети и дронове, позволявайки им да идентифицират цели и заплахи от по-големи разстояния и да подобри ефективността на сървърите на центровете за данни, което е от решаващо значение за превръщането на революцията в ИИ достъпна и устойчива.

Като се има предвид товагалиев нитридпревъзхожда в много аспекти и съществува от известно време, защо индустрията за микрочипове продължава да се гради около силиций? Отговорът, както винаги, се крие в цената: GaN чиповете са по-скъпи и сложни за производство. Намаляването на разходите и мащабирането на производството ще отнеме време, но правителството на САЩ работи активно за стартиране на тази нововъзникваща индустрия.

През февруари 2024 г. Съединените щати отпуснаха 1,5 милиарда долара на компанията за производство на полупроводници GlobalFoundries съгласно Закона за CHIPS и науката за разширяване на вътрешното производство на чипове.

 Част от тези средства ще бъдат използвани за надграждане на производствено съоръжение във Върмонт, позволявайки му да произвежда масовогалиев нитрид(GaN) полупроводници, възможност, която в момента не е реализирана в САЩ. Според съобщението за финансиране, тези полупроводници ще бъдат използвани в електрически превозни средства, центрове за данни, смартфони, електрически мрежи и други технологии. 

Въпреки това, дори ако САЩ успеят да възстановят нормалните операции в своя производствен сектор, производството наGaNчипове зависи от стабилно снабдяване с галий, което в момента не е гарантирано. 

Въпреки че галият не е рядък - той присъства в земната кора на нива, сравними с медта - той не съществува в големи, годни за добив находища като медта. Независимо от това, следи от галий могат да бъдат намерени в руди, съдържащи алуминий и цинк, което позволява събирането му по време на обработката на тези елементи. 

Към 2022 г. приблизително 90% от световния галий е произведен в Китай. Междувременно САЩ не произвеждат галий от 80-те години на миналия век, като 53% от техния галий се внася от Китай, а останалата част се доставя от други страни. 

През юли 2023 г. Китай обяви, че ще започне да ограничава износа на галий и друг материал, германий, от съображения за национална сигурност. 

Правилата на Китай не забраняват директно износа на галий в САЩ, но изискват потенциалните купувачи да кандидатстват за разрешителни и да получат одобрение от китайското правителство. 

Почти сигурно е, че американските отбранителни изпълнители ще бъдат отхвърлени, особено ако са включени в списъка на „ненадеждните субекти“ на Китай. Досега изглежда, че тези ограничения са довели до повишени цени на галий и удължени срокове за доставка на поръчки за повечето производители на чипове, а не до пълен недостиг, въпреки че Китай може да избере да затегне контрола си върху този материал в бъдеще. 

САЩ отдавна осъзнават рисковете, свързани с тяхната силна зависимост от Китай за важни минерали - по време на спор с Япония през 2010 г. Китай временно забрани износа на редкоземни метали. По времето, когато Китай обяви своите ограничения през 2023 г., САЩ вече проучваха методи за укрепване на веригите си за доставки. 

Възможните алтернативи включват внос на галий от други страни, като Канада (ако могат достатъчно да увеличат производството) и рециклиране на материала от електронни отпадъци - изследванията в тази област се финансират от Агенцията за напреднали изследователски проекти на Министерството на отбраната на САЩ. 

Установяването на вътрешни доставки на галий също е вариант. 

Nyrstar, компания със седалище в Холандия, посочи, че нейният завод за цинк в Тенеси може да извлече достатъчно галий, за да отговори на 80% от текущото търсене в САЩ, но изграждането на преработвателно съоръжение ще струва до 190 милиона долара. В момента компанията преговаря с правителството на САЩ за финансиране на разширяване.

Потенциалните източници на галий също включват находище в Раунд Топ, Тексас. През 2021 г. Геоложката служба на САЩ изчисли, че това находище съдържа приблизително 36 500 тона галий — за сравнение Китай е произвел 750 тона галий през 2022 г. 

Обикновено галият се среща в следи от количества и е изключително разпръснат; въпреки това през март 2024 г. American Critical Materials Corp. откри находище със сравнително висока концентрация на висококачествен галий в националната гора Kootenai в Монтана. 

В момента галият от Тексас и Монтана все още не е извлечен, но изследователи от Националната лаборатория на Айдахо и American Critical Materials Corp. си сътрудничат за разработването на екологичен метод за получаване на този материал. 

Галият не е единствената възможност за САЩ да подобри технологията за микрочипове - Китай може да произвежда по-модерни чипове, използвайки някои неограничени материали, които в някои случаи могат да надминат базираните на галий чипове. 

През октомври 2024 г. производителят на чипове Wolfspeed осигури до 750 милиона долара финансиране чрез Закона за CHIPS за изграждане на най-голямото съоръжение за производство на чипове от силициев карбид (известен също като SiC) в САЩ. Този тип чипове са по-скъпи отгалиев нитридно е за предпочитане за определени приложения, като например слънчеви електроцентрали с висока мощност. 

Оливър каза на Freethink: „Галиевият нитрид се представя много добре при определени диапазони на напрежение, докатосилициев карбидсе представя по-добре при другите. Така че зависи от напрежението и мощността, с които имате работа. 

САЩ също така финансират изследвания на микрочипове, базирани на широколентови полупроводници, които имат ширина на лентата над 3,4 eV. Тези материали включват диамант, алуминиев нитрид и борен нитрид; въпреки че са скъпи и трудни за обработка, чиповете, направени от тези материали, може един ден да предложат забележителни нови функционалности при по-ниски екологични разходи.

 „Ако говорите за видовете напрежения, които могат да бъдат включени в предаването на офшорна вятърна енергия към наземната мрежа,галиев нитридможе да не е подходящ, тъй като не може да се справи с това напрежение“, обясни Оливър. „Материали като алуминиев нитрид, които са широколентови, могат.“