A szilícium félvezető chipek jövőbeli kilátásainak feltárása

Mi határozza meg a félvezetők szerepét a technológiában?

Az anyagokat elektromos vezetőképességük alapján osztályozhatjuk – az áram könnyen áramlik a vezetőkben, de nem a szigetelőkben. A félvezetők a kettő közé tartoznak: meghatározott körülmények között képesek elektromos áramot vezetni, így rendkívül hasznosak a számítástechnikában. A félvezetők a mikrochipek alapjaként történő felhasználásával szabályozhatjuk az elektromos áram áramlását az eszközökön belül, lehetővé téve mindazon figyelemre méltó funkciókat, amelyekre ma támaszkodunk.

Megalakulásuk óta,szilíciumuralta a chip- és technológiaipart, ami a „Szilícium-völgy” kifejezéshez vezetett. Előfordulhat azonban, hogy nem ez a legalkalmasabb anyag a jövő technológiájához. Ennek megértéséhez újra át kell tekintenünk a chipek működését, a jelenlegi technológiai kihívásokat és azokat az anyagokat, amelyek a jövőben helyettesíthetik a szilíciumot.

Hogyan fordítják le a mikrochipek a bemeneteket számítógépes nyelvre?

A mikrochipeket apró kapcsolókkal, úgynevezett tranzisztorokkal töltik meg, amelyek a billentyűzet bemeneteit és a szoftverprogramokat számítógépes nyelvre – bináris kódra – fordítják le. Amikor egy kapcsoló nyitva van, áram folyhat, ami egy „1”-et jelent; ha zárva van, nem tud, ez egy „0”-t jelent. Minden, amit a modern számítógépek csinálnak, ezekre a kapcsolókra vezethető vissza.

Évtizedek óta javítjuk a számítási teljesítményt a mikrochipek tranzisztorainak sűrűségének növelésével. Míg az első mikrochip csak egy tranzisztort tartalmazott, ma már több milliárdnyi apró kapcsolót tudunk körömnyi chipekbe foglalni.

Az első mikrochip germániumból készült, de a technológiai ipar erre hamar rájöttszilíciumkiváló anyag volt a forgácsgyártáshoz. A szilícium elsődleges előnyei közé tartozik bősége, alacsony költsége és magasabb olvadáspontja, ami azt jelenti, hogy magasabb hőmérsékleten jobban teljesít. Ezenkívül a szilícium könnyen „adalékolható” más anyagokkal, így a mérnökök különféle módokon állíthatják be vezetőképességét.

Milyen kihívásokkal néz szembe a szilícium a modern számítástechnikában?

A klasszikus stratégia a gyorsabb, erősebb számítógépek létrehozására a tranzisztorok folyamatos zsugorításávalszilíciumchips kezd akadozni. Deep Jariwala, a Pennsylvaniai Egyetem mérnökprofesszora a The Wall Street Journalnak adott 2022-es interjújában kijelentette: „Bár a szilícium ilyen kis méretekben is képes működni, a számításokhoz szükséges energiahatékonyság növekszik, ami rendkívül fenntarthatatlanná teszi. Energetikai szempontból ennek már nincs értelme.”

Ahhoz, hogy tovább fejleszthessük technológiánkat a környezet további károsítása nélkül, foglalkoznunk kell ezzel a fenntarthatósági kérdéssel. Ennek érdekében egyes kutatók alaposan megvizsgálják a szilíciumtól eltérő félvezető anyagokból készült chipeket, beleértve a gallium-nitridet (GaN), egy galliumból és nitrogénből készült vegyületet.

Miért kap figyelmet a gallium-nitrid, mint félvezető anyag?

A félvezetők elektromos vezetőképessége változó, elsősorban az úgynevezett „sávszélesség” miatt. A protonok és neutronok az atommagban csoportosulnak, míg az elektronok keringenek körülötte. Ahhoz, hogy egy anyag elektromos áramot tudjon vezetni, az elektronoknak képesnek kell lenniük a „valenciasávból” a „vezetési sávba” ugrani. Az ehhez az átmenethez szükséges minimális energia határozza meg az anyag sávszélességét.

A vezetőkben ez a két tartomány átfedi egymást, így nincs sávszélesség – az elektronok szabadon áthaladhatnak ezeken az anyagokon. A szigetelőkben a sávszélesség nagyon nagy, ami megnehezíti az elektronok áthaladását még jelentős energia alkalmazása mellett is. A félvezetők a szilíciumhoz hasonlóan középutat foglalnak el;szilíciumsávszélessége 1,12 elektronvolt (eV), míg a gallium-nitrid 3,4 eV-os sávszélességgel büszkélkedhet, így a „széles sávú félvezető” (WBGS) kategóriába sorolható.

A WBGS anyagok a vezetőképességi spektrumban közelebb állnak a szigetelőkhöz, így több energiát igényelnek az elektronok mozgásához a két sáv között, így nem alkalmasak nagyon alacsony feszültségű alkalmazásokra. A WBGS azonban magasabb feszültségen, hőmérsékleten és energiafrekvencián is működhet, mintszilícium alapúfélvezetők, lehetővé téve az ezeket használó eszközök gyorsabb és hatékonyabb működését.

Rachel Oliver, a Cambridge GaN Központ igazgatója a Freethinknek elmondta: „Ha a telefontöltőre teszed a kezed, az forró lesz; ez a szilícium chipek által elpazarolt energia. A GaN töltők tapintásra sokkal hűvösebbek – lényegesen kevesebb az elpazarolt energia.”

A galliumot és vegyületeit évtizedek óta használják a technológiai iparban, többek között fénykibocsátó diódákban, lézerekben, katonai radarokban, műholdakban és napelemekben. Viszont,gallium-nitridjelenleg azon kutatók fókuszában, akik azt remélik, hogy a technológiát hatékonyabbá és energiahatékonyabbá tehetik.

Milyen következményekkel jár a gallium-nitrid a jövőre nézve?

Amint Oliver említette, a GaN telefontöltők már a piacon vannak, és a kutatók célja, hogy ezt az anyagot gyorsabb elektromos járműtöltők kifejlesztéséhez használják fel, ezzel foglalkozva az elektromos járművekkel kapcsolatos jelentős fogyasztói aggodalmakkal. „Az olyan eszközök, mint az elektromos járművek, sokkal gyorsabban töltődnek” – mondta Oliver. „Bármihez, ami hordozható áramot és gyors töltést igényel, a gallium-nitridben jelentős lehetőségek rejlenek.”

Gallium-nitridjavíthatja a katonai repülőgépek és drónok radarrendszerét is, lehetővé téve számukra a célpontok és a fenyegetések nagyobb távolságból történő azonosítását, valamint javíthatja az adatközponti szerverek hatékonyságát, ami kulcsfontosságú az AI-forradalom megfizethetővé és fenntarthatóvá tételéhez.

Tekintettel arragallium-nitridsok szempontból kiemelkedik, és már egy ideje létezik, miért épül a mikrochip-ipar továbbra is a szilícium köré? A válasz, mint mindig, a költségekben rejlik: a GaN chipek drágábbak és bonyolultabbak a gyártásuk. A költségek csökkentése és a termelés növelése időbe telik, de az Egyesült Államok kormánya aktívan dolgozik ennek a feltörekvő iparágnak a beindításán.

2024 februárjában az Egyesült Államok 1,5 milliárd dollárt különített el a félvezetőgyártó cégnek, a GlobalFoundries-nek a CHIPS and Science Act értelmében a hazai chipgyártás bővítésére.

 Ezen alapok egy részét egy vermonti gyártóüzem korszerűsítésére fordítják, ami lehetővé teszi a tömeggyártást.gallium-nitrid(GaN) félvezetők, amelyek jelenleg nem valósulnak meg az Egyesült Államokban. A támogatási bejelentés szerint ezeket a félvezetőket elektromos járművekben, adatközpontokban, okostelefonokban, elektromos hálózatokban és más technológiákban fogják hasznosítani. 

Azonban még ha az Egyesült Államoknak sikerül is visszaállítania a normál működést a feldolgozóiparban, a termelésGaNA chipek stabil galliumellátásától függenek, ami jelenleg nem garantált. 

Míg a gallium nem ritka – a földkéregben a rézhez hasonló szinten van jelen –, nem létezik olyan nagy, bányászható lelőhelyekben, mint a réz. Ennek ellenére nyomokban gallium található az alumíniumot és cinket tartalmazó ércekben, ami lehetővé teszi az összegyűjtését ezen elemek feldolgozása során. 

2022-ben a világ galliumának körülbelül 90%-át Kínában állították elő. Eközben az Egyesült Államokban az 1980-as évek óta nem termelnek galliumot, galliumának 53%-át Kínából importálták, a fennmaradó részt pedig más országokból szerezték be. 

2023 júliusában Kína bejelentette, hogy nemzetbiztonsági okokból korlátozni kezdi a gallium és egy másik anyag, a germánium exportját. 

A kínai szabályozás nem tiltja egyenesen a gallium exportját az Egyesült Államokba, de megkövetelik, hogy a potenciális vásárlók engedélyt kérjenek és a kínai kormány jóváhagyását kérjék. 

Az egyesült államokbeli védelmi vállalkozók szinte biztos, hogy visszautasítással szembesülnek, különösen, ha szerepelnek a kínai „megbízhatatlan entitások listáján”. Eddig úgy tűnik, hogy ezek a korlátozások a legtöbb chipgyártónál megemelkedett galliumárakat és meghosszabbodott rendelési szállítási határidőket eredményeztek, nem pedig egyenes hiányt, bár Kína úgy dönthet, hogy a jövőben megerősíti az anyag feletti ellenőrzést. 

Az Egyesült Államok már régóta felismerte azokat a kockázatokat, amelyek azzal kapcsolatosak, hogy a kritikus ásványok Kínától függenek – a Japánnal folytatott 2010-es vita során Kína ideiglenesen betiltotta a ritkaföldfémek exportját. Mire Kína 2023-ban bejelentette korlátozásait, az Egyesült Államok már vizsgálta az ellátási láncok megerősítésének módszereit. 

A lehetséges alternatívák közé tartozik a gallium importálása más országokból, például Kanadából (ha kellőképpen fel tudják gyorsítani a termelést), és az elektronikai hulladékból származó anyagok újrahasznosítása – az ezen a területen végzett kutatásokat az Egyesült Államok Védelmi Minisztériumának Advanced Research Projects Agency finanszírozza. 

A belföldi galliumellátás kialakítása is egy lehetőség. 

A Nyrstar, a hollandiai székhelyű cég jelezte, hogy Tennessee-ben lévő cinküzeme elegendő galliumot tud kivonni a jelenlegi amerikai kereslet 80%-ának kielégítésére, de a feldolgozó létesítmény megépítése akár 190 millió dollárba kerülne. A cég jelenleg tárgyal az Egyesült Államok kormánnyal a terjeszkedési finanszírozásról.

A lehetséges galliumforrások közé tartozik a texasi Round Top lelőhely is. 2021-ben az Egyesült Államok Geológiai Szolgálata becslése szerint ez a lelőhely körülbelül 36 500 tonna galliumot tartalmaz – ehhez képest Kína 2022-ben 750 tonna galliumot állított elő. 

A gallium jellemzően nyomokban fordul elő, és rendkívül szétszórt; 2024 márciusában azonban az American Critical Materials Corp. a montanai Kootenai Nemzeti Erdőben egy viszonylag magas, jó minőségű galliumkoncentrációjú lelőhelyet fedezett fel. 

Jelenleg a texasi és montanai galliumot még ki kell nyerni, de az Idaho National Laboratory és az American Critical Materials Corp. kutatói együttműködnek egy környezetbarát módszer kidolgozásában ennek az anyagnak a megszerzésére. 

A gallium nem az egyetlen lehetőség az Egyesült Államok számára a mikrochip-technológia fejlesztésére – Kína fejlettebb chipeket tud előállítani bizonyos kötetlen anyagok felhasználásával, amelyek bizonyos esetekben felülmúlhatják a galliumalapú chipeket. 

2024 októberében a Wolfspeed chipgyártó 750 millió dolláros finanszírozást biztosított a CHIPS-törvényen keresztül a legnagyobb szilícium-karbid (más néven SiC) chipgyártó létesítmény megépítéséhez az Egyesült Államokban. Ez a típusú chip drágább, mintgallium-nitridde előnyös bizonyos alkalmazásokhoz, például nagy teljesítményű naperőművekhez. 

Oliver a Freethinknek elmondta: „A gallium-nitrid nagyon jól teljesít bizonyos feszültségtartományokon, miközbenszilícium-karbidjobban teljesít másokon. Tehát ez a feszültségtől és a teljesítménytől függ." 

Az Egyesült Államok a 3,4 eV-nál nagyobb sávszélességű, széles sávú félvezetőkön alapuló mikrochipek kutatását is finanszírozza. Ezek az anyagok közé tartozik a gyémánt, az alumínium-nitrid és a bór-nitrid; noha költségesek és nehéz a feldolgozásuk, az ezekből az anyagokból készült forgácsok egy napon figyelemre méltó új funkciókat kínálhatnak alacsonyabb környezeti költségek mellett.

 „Ha azokról a feszültségtípusokról beszélünk, amelyek szerepet játszhatnak a tengeri szélenergia szárazföldi hálózatba történő továbbításában,gallium-nitridLehet, hogy nem megfelelő, mivel nem tudja kezelni ezt a feszültséget” – magyarázta Oliver. "Az olyan anyagok, mint az alumínium-nitrid, amelyek széles sávszélességűek, képesek."