Piipuolijohdesirujen tulevaisuudennäkymien tutkiminen

Mikä määrittelee puolijohteiden roolin tekniikassa?

Materiaalit voidaan luokitella niiden sähkönjohtavuuden perusteella – virta kulkee helposti johtimissa, mutta ei eristimissä. Puolijohteet ovat näiden välissä: ne voivat johtaa sähköä tietyissä olosuhteissa, mikä tekee niistä erittäin hyödyllisiä tietojenkäsittelyssä. Käyttämällä puolijohteita mikrosirujen perustana voimme ohjata sähkövirtaa laitteiden sisällä, mikä mahdollistaa kaikki merkittävät toiminnot, joihin nykyään luotamme.

Niiden perustamisesta lähtienpiitäon hallinnut siru- ja teknologiateollisuutta, mikä on johtanut termiin "Piilaakso". Se ei kuitenkaan välttämättä ole sopivin materiaali tulevaisuuden teknologioihin. Tämän ymmärtämiseksi meidän on tarkasteltava uudelleen sirujen toimintaa, tämänhetkisiä teknologisia haasteita ja materiaaleja, jotka voivat korvata piin tulevaisuudessa.

Kuinka mikrosirut kääntävät syötteet tietokonekielelle?

Mikrosirut on täytetty pienillä kytkimillä, joita kutsutaan transistoreiksi ja jotka kääntävät näppäimistön syötteet ja ohjelmistot tietokonekieleksi - binäärikoodiksi. Kun kytkin on auki, virta voi virrata, mikä edustaa '1'; kun se on suljettu, se ei voi edustaa '0'. Kaikki nykyaikaiset tietokoneet tekevät lopulta nämä kytkimet.

Olemme vuosikymmenten ajan parantaneet laskentatehoa lisäämällä mikrosirujen transistorien tiheyttä. Vaikka ensimmäinen mikrosiru sisälsi vain yhden transistorin, voimme nykyään kapseloida miljardeja näitä pieniä kytkimiä kynnen kokoisiin siruihin.

Ensimmäinen mikrosiru tehtiin germaniumista, mutta teknologiateollisuus huomasi sen nopeastipiitäoli ylivoimainen materiaali lastun valmistukseen. Piin ensisijaisia ​​etuja ovat sen runsaus, alhaiset kustannukset ja korkeampi sulamispiste, mikä tarkoittaa, että se toimii paremmin korkeissa lämpötiloissa. Lisäksi pii on helppo "seostaa" muiden materiaalien kanssa, jolloin insinöörit voivat säätää sen johtavuutta monin eri tavoin.

Mitä haasteita pii kohtaa nykyaikaisessa tietojenkäsittelyssä?

Klassinen strategia nopeampien ja tehokkaampien tietokoneiden luomiseksi pienentämällä jatkuvasti transistoreitapiitäsirut alkavat horjua. Pennsylvanian yliopiston tekniikan professori Deep Jariwala totesi vuonna 2022 The Wall Street Journal -lehden haastattelussa: "Vaikka pii voi toimia niin pienissä mitoissa, laskennan edellyttämä energiatehokkuus on kasvanut, mikä tekee siitä erittäin kestämättömän. Energian kannalta se ei ole enää järkevää."

Jotta voimme jatkaa teknologiamme parantamista vahingoittamatta ympäristöä enempää, meidän on puututtava tähän kestävään kehitykseen. Tässä pyrkimyksessä jotkut tutkijat tutkivat tarkasti siruja, jotka on valmistettu muista puolijohdemateriaaleista kuin piistä, mukaan lukien galliumnitridistä (GaN), galliumista ja typestä valmistettu yhdiste.

Miksi galliumnitridi herättää huomiota puolijohdemateriaalina?

Puolijohteiden sähkönjohtavuus vaihtelee pääasiassa "kaistavälin" vuoksi. Protonit ja neutronit ryhmittyvät ytimeen, kun taas elektronit kiertävät sitä. Jotta materiaali johtaisi sähköä, elektronien on kyettävä hyppäämään "valenssikaistalta" "johtavuuskaistalle". Vähimmäisenergia, joka tarvitaan tähän siirtymiseen, määrittää materiaalin kaistanvälin.

Johtimissa nämä kaksi aluetta menevät päällekkäin, jolloin ei synny kaistaväliä - elektronit voivat kulkea vapaasti näiden materiaalien läpi. Eristeissä bandgap on erittäin suuri, mikä vaikeuttaa elektronien kulkemista jopa merkittävällä energialla. Puolijohteet, kuten pii, ovat keskitie;piitäsen kaistaväli on 1,12 elektronivolttia (eV), kun taas galliumnitridin kaistaväli on 3,4 eV, mikä luokittelee sen "leveäksi kaistaväliksi puolijohteeksi" (WBGS).

WBGS-materiaalit ovat lähempänä eristeitä johtavuusspektrissä, mikä vaatii enemmän energiaa elektroneille liikkuakseen kahden kaistan välillä, mikä tekee niistä sopimattomia erittäin pienijännitesovelluksiin. WBGS voi kuitenkin toimia korkeammilla jännitteillä, lämpötiloissa ja energiataajuuksilla kuinsilikonipohjainenpuolijohteita, jolloin niitä käyttävät laitteet voivat toimia nopeammin ja tehokkaammin.

Rachel Oliver, Cambridge GaN -keskuksen johtaja, kertoi Freethinkille: "Jos laitat kätesi puhelimen laturiin, se tuntuu kuumalta; se on piisirujen hukkaamaa energiaa. GaN-laturit tuntuvat kosketettaessa paljon viileämmiltä – energiaa hukataan huomattavasti vähemmän."

Galliumia ja sen yhdisteitä on käytetty teknologiateollisuudessa vuosikymmeniä, mukaan lukien valodiodeissa, lasereissa, sotilastutkassa, satelliiteissa ja aurinkokennoissa. Kuitenkin,galliumnitridion tällä hetkellä tutkijoiden keskittymä, jotka haluavat tehdä teknologiasta tehokkaampaa ja energiatehokkaampaa.

Mitä vaikutuksia galliumnitridillä on tulevaisuuteen?

Kuten Oliver mainitsi, GaN-puhelinlaturit ovat jo markkinoilla, ja tutkijat pyrkivät hyödyntämään tätä materiaalia nopeampien sähköajoneuvojen laturien kehittämiseen, mikä vastaa kuluttajien merkittävään sähköajoneuvoja koskevaan huoleen. "Sähköajoneuvojen kaltaiset laitteet voivat latautua paljon nopeammin", Oliver sanoi. "Galliumnitridillä on merkittävää potentiaalia kaikkeen, joka vaatii kannettavaa tehoa ja nopeaa latausta."

Galliumnitridivoi myös parantaa sotilaslentokoneiden ja droonien tutkajärjestelmiä, jolloin ne voivat tunnistaa kohteet ja uhat kauempaakin, ja parantaa datakeskusten palvelimien tehokkuutta, mikä on ratkaisevan tärkeää tekoälyvallankumouksen tekemiseksi kohtuuhintaiseksi ja kestäväksi.

Ottaen huomioon sengalliumnitridion erinomaista monissa asioissa ja on ollut olemassa jo jonkin aikaa, miksi mikrosiruteollisuus rakentuu edelleen piin ympärille? Vastaus, kuten aina, on kustannuksissa: GaN-sirut ovat kalliimpia ja monimutkaisempia valmistaa. Kustannusten vähentäminen ja tuotannon mittaaminen vie aikaa, mutta Yhdysvaltain hallitus työskentelee aktiivisesti tämän nousevan teollisuuden käynnistämiseksi.

Helmikuussa 2024 Yhdysvallat myönsi 1,5 miljardia dollaria puolijohdevalmistajalle GlobalFoundries CHIPS and Science Actin mukaisesti kotimaisen sirutuotannon laajentamiseen.

 Osa näistä varoista käytetään Vermontin tuotantolaitoksen päivittämiseen, jotta se voi tuottaa massatuotantoa.galliumnitridi(GaN) puolijohteet, ominaisuus, jota ei tällä hetkellä toteuteta Yhdysvalloissa. Rahoitusilmoituksen mukaan näitä puolijohteita hyödynnetään sähköajoneuvoissa, datakeskuksissa, älypuhelimissa, sähköverkoissa ja muissa teknologioissa. 

Vaikka Yhdysvallat kuitenkin onnistuisi palauttamaan normaalin toiminnan koko tuotantosektorillaan, sen tuotantoGaNsirujen saatavuus riippuu vakaasta galliumin saatavuudesta, jota ei tällä hetkellä taata. 

Vaikka gallium ei ole harvinainen – sitä esiintyy maankuoressa kuparin tasoilla – sitä ei esiinny suurissa louhittavissa olevissa esiintymissä, kuten kuparin. Siitä huolimatta, pieniä määriä galliumia löytyy alumiinia ja sinkkiä sisältävistä malmeista, mikä mahdollistaa sen keräämisen näiden alkuaineiden käsittelyn aikana. 

Vuodesta 2022 lähtien noin 90 % maailman galliumista tuotettiin Kiinassa. Samaan aikaan Yhdysvallat ei ole tuottanut galliumia 1980-luvun jälkeen, sillä 53 prosenttia sen galliumista on tuotu Kiinasta ja loput muista maista. 

Heinäkuussa 2023 Kiina ilmoitti alkavansa rajoittaa galliumin ja toisen materiaalin, germaniumin, vientiä kansallisen turvallisuussyistä. 

Kiinan määräykset eivät suoraan kiellä galliumin vientiä Yhdysvaltoihin, mutta ne edellyttävät mahdollisia ostajia hakemaan lupia ja saamaan hyväksynnän Kiinan hallitukselta. 

Yhdysvaltain puolustusalan urakoitsijat kohtaavat lähes varmasti hylkäämisen, varsinkin jos ne ovat Kiinan "epäluotettavien yksiköiden luettelossa". Toistaiseksi nämä rajoitukset näyttävät johtaneen galliumin hintojen nousuun ja tilausten toimitusaikojen pidentymiseen useimmille siruvalmistajille suoran pulan sijaan, vaikka Kiina saattaakin päättää tiukentaa tämän materiaalin valvontaansa tulevaisuudessa. 

Yhdysvallat on jo pitkään tunnustanut riskit, jotka liittyvät sen vahvaan riippuvuuteen Kiinasta kriittisten mineraalien suhteen – Japanin kanssa käydyn kiistan aikana vuonna 2010 Kiina kielsi väliaikaisesti harvinaisten maametallien viennin. Kun Kiina ilmoitti rajoituksistaan ​​vuonna 2023, Yhdysvallat oli jo tutkimassa menetelmiä toimitusketjujensa vahvistamiseksi. 

Mahdollisia vaihtoehtoja ovat galliumin tuonti muista maista, kuten Kanadasta (jos ne voivat nostaa tuotantoa riittävästi) ja materiaalin kierrätys elektroniikkajätteestä – tämän alueen tutkimusta rahoittaa Yhdysvaltain puolustusministeriön Advanced Research Projects Agency. 

Galliumin kotimaisen tarjonnan perustaminen on myös vaihtoehto. 

Alankomaissa toimiva Nyrstar ilmoitti, että sen Tennesseessä sijaitseva sinkkitehdas pystyisi erottamaan tarpeeksi galliumia kattamaan 80 prosenttia Yhdysvaltain nykyisestä kysynnästä, mutta käsittelylaitoksen rakentaminen maksaisi jopa 190 miljoonaa dollaria. Yhtiö neuvottelee parhaillaan Yhdysvaltain hallituksen kanssa laajentumisrahoituksesta.

Mahdollisiin galliumlähteisiin kuuluu myös esiintymä Round Topissa, Texasissa. Vuonna 2021 Yhdysvaltain geologinen tutkimuslaitos arvioi, että tämä esiintymä sisältää noin 36 500 tonnia galliumia – Kiina tuotti 750 tonnia galliumia vuonna 2022. 

Tyypillisesti galliumia esiintyy pieniä määriä ja se on erittäin hajallaan; kuitenkin maaliskuussa 2024 American Critical Materials Corp. löysi esiintymän, jossa oli suhteellisen korkea korkealaatuisen galliumin pitoisuus Kootenain kansallismetsässä Montanassa. 

Tällä hetkellä galliumia Texasista ja Montanasta ei ole vielä uutettu, mutta Idaho National Laboratoryn ja American Critical Materials Corp.:n tutkijat tekevät yhteistyötä kehittääkseen ympäristöystävällisen menetelmän tämän materiaalin saamiseksi. 

Gallium ei ole ainoa USA:n vaihtoehto mikrosiruteknologian parantamiseen – Kiina voi tuottaa kehittyneempiä siruja käyttämällä joitain rajoittumattomia materiaaleja, jotka voivat joissakin tapauksissa olla parempia kuin galliumpohjaiset sirut. 

Lokakuussa 2024 siruvalmistaja Wolfspeed sai CHIPS-lain kautta jopa 750 miljoonan dollarin rahoituksen rakentaakseen suurimman piikarbidin (tunnetaan myös nimellä SiC) siruvalmistuslaitoksen Yhdysvaltoihin. Tämäntyyppiset sirut ovat kalliimpia kuingalliumnitridimutta on parempi tietyissä sovelluksissa, kuten suuritehoisissa aurinkovoimaloissa. 

Oliver kertoi Freethinkille: "Galliumnitridi toimii erittäin hyvin tietyillä jännitealueillapiikarbidipärjää paremmin muissa. Joten se riippuu jännitteestä ja tehosta, jonka kanssa olet tekemisissä." 

Yhdysvallat rahoittaa myös tutkimusta mikrosiruista, jotka perustuvat laajakaistaisiin puolijohteisiin, joiden kaistaväli on yli 3,4 eV. Näitä materiaaleja ovat timantti, alumiininitridi ja boorinitridi; Vaikka näistä materiaaleista valmistetut lastut ovat kalliita ja haastavia käsitellä, ne voivat jonain päivänä tarjota merkittäviä uusia toimintoja pienemmillä ympäristökustannuksilla.

 "Jos puhutaan jännitteistä, jotka saattavat liittyä merituulivoiman siirtämiseen maaverkkoon,galliumnitridiei ehkä ole sopiva, koska se ei kestä sitä jännitettä", Oliver selitti. "Materiaalit, kuten alumiininitridi, jotka ovat laajakaistaisia, voivat."