Räni pooljuhtkiipide tulevikuväljavaadete uurimine

Mis määrab pooljuhtide rolli tehnoloogias?

Materjale saab klassifitseerida nende elektrijuhtivuse alusel – vool voolab kergesti juhtides, kuid mitte isolaatorites. Pooljuhid jäävad nende vahele: nad võivad teatud tingimustes elektrit juhtida, muutes need andmetöötluses äärmiselt kasulikuks. Kasutades pooljuhte mikrokiipide alusena, saame juhtida elektrivoolu seadmetes, võimaldades kõiki tähelepanuväärseid funktsioone, millele me täna tugineme.

Alates nende loomisest,ränion domineerinud kiibi- ja tehnoloogiatööstuses, mille tulemuseks on mõiste "Silicon Valley". Siiski ei pruugi see olla tulevaste tehnoloogiate jaoks kõige sobivam materjal. Selle mõistmiseks peame uuesti läbi vaatama kiipide toimimise, praegused tehnoloogilised väljakutsed ja materjalid, mis võivad tulevikus räni asendada.

Kuidas tõlgivad mikrokiibid sisendid arvutikeelde?

Mikrokiibid on täidetud pisikeste lülititega, mida nimetatakse transistoriteks, mis tõlgivad klaviatuuri sisendid ja tarkvaraprogrammid arvutikeelde – binaarkoodi. Kui lüliti on avatud, võib vool voolata, mis tähistab '1'; kui see on suletud, ei saa see olla '0'. Kõik, mida kaasaegsed arvutid teevad, taandub lõpuks nendele lülititele.

Oleme aastakümneid parandanud arvutusvõimsust, suurendades mikrokiipide transistoride tihedust. Kui esimene mikrokiip sisaldas ainult ühte transistorit, siis tänapäeval saame miljardeid neid pisikesi lüliteid kapseldada küünesuurustesse kiibidesse.

Esimene mikrokiip valmistati germaaniumist, kuid tehnoloogiatööstus sai sellest kiiresti aruränioli suurepärane materjal kiibi tootmiseks. Räni peamisteks eelisteks on selle arvukus, madal hind ja kõrgem sulamistemperatuur, mis tähendab, et see toimib paremini kõrgematel temperatuuridel. Lisaks on räni lihtne teiste materjalidega legeerida, võimaldades inseneridel selle juhtivust mitmel viisil reguleerida.

Milliste väljakutsetega seisab räni kaasaegses andmetöötluses silmitsi?

Klassikaline strateegia kiiremate ja võimsamate arvutite loomiseks, vähendades pidevalt transistoreränikrõpsud hakkavad kõikuma. Pennsylvania ülikooli inseneriprofessor Deep Jariwala ütles 2022. aasta intervjuus The Wall Street Journalile: "Kuigi räni võib töötada nii väikeste mõõtmetega, on arvutuste jaoks vajalik energiatõhusus tõusnud, muutes selle äärmiselt jätkusuutmatuks. Energia seisukohast pole sellel enam mõtet.

Et jätkata oma tehnoloogia täiustamist keskkonda täiendavalt kahjustamata, peame tegelema selle jätkusuutlikkuse probleemiga. Selle eesmärgi saavutamiseks uurivad mõned teadlased tähelepanelikult kiipe, mis on valmistatud muudest pooljuhtmaterjalidest peale räni, sealhulgas galliumnitriidist (GaN), galliumist ja lämmastikust valmistatud ühendist.

Miks pälvib galliumnitriid pooljuhtmaterjalina tähelepanu?

Pooljuhtide elektrijuhtivus varieerub, peamiselt tänu nn ribalaiusele. Prootonid ja neutronid koonduvad tuumas, samal ajal kui elektronid tiirlevad selle ümber. Selleks, et materjal juhiks elektrit, peavad elektronid suutma hüpata "valentsribalt" "juhtivusribale". Selle ülemineku jaoks vajalik minimaalne energia määrab materjali ribalaiuse.

Juhtides need kaks piirkonda kattuvad, mille tulemuseks on ribalaius - elektronid võivad neid materjale vabalt läbida. Isolaatorites on ribalaius väga suur, mistõttu on elektronidel raske liikuda isegi märkimisväärse energia kasutamisel. Pooljuhid, nagu räni, hõivavad kesktee;räniribalaius on 1,12 elektronvolti (eV), samas kui galliumnitriidi ribalaius on 3,4 eV, mis liigitab selle "laia ribalaiusega pooljuhiks" (WBGS).

WBGS-i materjalid on juhtivuse spektris isolaatoritele lähemal, nõudes elektronide liikumiseks kahe riba vahel rohkem energiat, mistõttu need ei sobi väga madala pingega rakenduste jaoks. Siiski võib WBGS töötada kõrgematel pingetel, temperatuuridel ja energiasagedustel kuiräni baasilpooljuhid, võimaldades neid kasutavatel seadmetel kiiremini ja tõhusamalt töötada.

Cambridge GaN keskuse direktor Rachel Oliver ütles Freethinkile: „Kui panete käe telefonilaadijale, tundub see kuum; see on ränikiipide poolt raisatud energia. GaN-laadijad tunduvad puudutamisel palju jahedamad – raisatakse oluliselt vähem energiat.

Galliumi ja selle ühendeid on tehnoloogiatööstuses kasutatud aastakümneid, sealhulgas valgusdioodides, laserites, sõjaväeradarites, satelliitides ja päikesepatareides. Siiskigalliumnitriidon praegu teadlaste fookuses, kes loodavad muuta tehnoloogia võimsamaks ja energiasäästlikumaks.

Millist mõju avaldab galliumnitriid tulevikule?

Nagu Oliver mainis, on GaN-telefonilaadijad juba turul ja teadlaste eesmärk on kasutada seda materjali kiiremate elektrisõidukite laadijate väljatöötamiseks, lahendades tarbijate olulise elektrisõidukitega seotud mure. "Seadmed, nagu elektrisõidukid, saavad palju kiiremini laadida," ütles Oliver. "Kõige jaoks, mis nõuab kaasaskantavat võimsust ja kiiret laadimist, on galliumnitriidil märkimisväärne potentsiaal."

Galliumnitriidvõib täiustada ka sõjalennukite ja droonide radarisüsteeme, võimaldades neil tuvastada sihtmärke ja ohte kaugemalt, ning parandada andmekeskuse serverite tõhusust, mis on ülioluline tehisintellekti revolutsiooni taskukohaseks ja jätkusuutlikuks muutmisel.

Arvestades sedagalliumnitriidpaistab silma paljudes aspektides ja on tegutsenud juba mõnda aega, miks jätkab mikrokiipide tööstus ehitamist räni ümber? Vastus, nagu alati, peitub kuludes: GaN-kiibid on kallimad ja keerukamad toota. Kulude vähendamine ja tootmise suurendamine võtab aega, kuid USA valitsus töötab aktiivselt selle areneva tööstuse käivitamise nimel.

2024. aasta veebruaris eraldas USA pooljuhte tootvale ettevõttele GlobalFoundries CHIPS-i ja teadusseaduse alusel 1,5 miljardit dollarit, et laiendada kodumaist kiibi tootmist.

 Osa neist vahenditest kasutatakse Vermontis asuva tootmisüksuse ajakohastamiseks, võimaldades sellel masstootmist.galliumnitriid(GaN) pooljuhid, mida USA-s praegu ei kasutata. Rahastamisteate kohaselt hakatakse neid pooljuhte kasutama elektrisõidukites, andmekeskustes, nutitelefonides, elektrivõrkudes ja muudes tehnoloogiates. 

Kuid isegi kui USA-l õnnestub taastada normaalne tegevus kogu oma tootmissektoris, on tootmineGaNkiibid sõltuvad stabiilsest galliumivarust, mis ei ole praegu garanteeritud. 

Kuigi gallium ei ole haruldane – seda leidub maakoores vasega võrreldaval tasemel –, ei leidu seda suurtes kaevandatavates maardlates nagu vask. Sellegipoolest võib alumiiniumi ja tsinki sisaldavates maakides leida galliumi jälgi, mis võimaldab seda koguda nende elementide töötlemise ajal. 

2022. aasta seisuga toodeti umbes 90% maailma galliumist Hiinas. Samal ajal ei ole USA galliumi tootnud alates 1980. aastatest, 53% galliumist imporditakse Hiinast ja ülejäänud osa teistest riikidest. 

2023. aasta juulis teatas Hiina, et hakkab riikliku julgeoleku kaalutlustel piirama galliumi ja teise materjali, germaaniumi, eksporti. 

Hiina eeskirjad ei keela otseselt galliumi eksporti USA-sse, kuid need nõuavad potentsiaalsetelt ostjatelt lubade taotlemist ja Hiina valitsuselt heakskiidu saamist. 

USA kaitsetöövõtjaid ootab peaaegu kindlasti tagasilükkamine, eriti kui nad on kantud Hiina ebausaldusväärsete üksuste nimekirja. Seni näib, et need piirangud on enamiku kiibitootjate jaoks põhjustanud galliumihindade tõusu ja tellimuste tarneaja pikenemise, mitte aga otsese puuduse, kuigi Hiina võib otsustada tulevikus selle materjali üle kontrolli karmistada. 

USA on juba ammu mõistnud riske, mis on seotud kriitiliste mineraalide suure sõltuvusega Hiinast – 2010. aastal Jaapaniga peetava vaidluse ajal keelas Hiina ajutiselt haruldaste muldmetallide ekspordi. Selleks ajaks, kui Hiina 2023. aastal oma piirangutest teatas, uuris USA juba meetodeid oma tarneahelate tugevdamiseks. 

Võimalikud alternatiivid hõlmavad galliumi importi teistest riikidest, näiteks Kanadast (kui nad suudavad tootmist piisavalt kiirendada) ja elektroonikajäätmetest pärineva materjali ringlussevõttu – selle valdkonna teadusuuringuid rahastab USA kaitseministeeriumi arenenud uurimisprojektide agentuur. 

Võimalik on ka galliumi kodumaise tarne loomine. 

Hollandis asuv ettevõte Nyrstar märkis, et tema Tennessee tsingitehas suudab eraldada piisavalt galliumi, et rahuldada 80% USA praegusest nõudlusest, kuid töötlemisrajatise ehitamine läheks maksma kuni 190 miljonit dollarit. Ettevõte peab praegu läbirääkimisi USA valitsusega laienemise rahastamise üle.

Võimalike galliumiallikate hulka kuulub ka maardla Round Topis, Texases. 2021. aastal hindas USA geoloogiateenistus, et see maardla sisaldab ligikaudu 36 500 tonni galliumi – võrdluseks tootis Hiina 2022. aastal 750 tonni galliumi. 

Tavaliselt esineb galliumi väikestes kogustes ja see on äärmiselt hajutatud; 2024. aasta märtsis aga avastas American Critical Materials Corp. Montanas Kootenai riiklikus metsas maardla, mille kõrgekvaliteedilise galliumi kontsentratsioon on suhteliselt kõrge. 

Praegu ei ole Texasest ja Montanast pärit galliumi veel kaevandatud, kuid Idaho National Laboratory ja American Critical Materials Corp. teadlased teevad koostööd keskkonnasõbraliku meetodi väljatöötamiseks selle materjali saamiseks. 

Gallium ei ole USA jaoks ainus võimalus mikrokiipide tehnoloogia täiustamiseks – Hiina saab toota täiustatud kiipe, kasutades mõningaid piiranguteta materjale, mis võivad mõnel juhul ületada galliumipõhiseid kiipe. 

2024. aasta oktoobris tagas kiibitootja Wolfspeed CHIPS-i seadusega kuni 750 miljonit dollarit raha, et ehitada USA-s suurim ränikarbiidi (tuntud ka kui SiC) kiipide tootmisüksus. Seda tüüpi kiibid on kallimad kuigalliumnitriidkuid on eelistatav teatud rakenduste, näiteks suure võimsusega päikeseelektrijaamade jaoks. 

Oliver ütles Freethinkile: "Galliumnitriid toimib teatud pingevahemike juures väga hästiränikarbiidtoimib teistel paremini. Seega sõltub see pingest ja võimsusest, millega te tegelete. 

USA rahastab ka lairibaga pooljuhtidel põhinevate mikrokiipide uurimist, mille ribalaius on suurem kui 3,4 eV. Nende materjalide hulka kuuluvad teemant, alumiiniumnitriid ja boornitriid; kuigi nendest materjalidest valmistatud kiibid on kulukad ja raskesti töödeldavad, võivad ühel päeval pakkuda märkimisväärseid uusi funktsioone madalamate keskkonnakuludega.

 "Kui räägite pingetüüpidest, mis võivad olla seotud avamere tuuleenergia edastamisega maismaavõrku,galliumnitriidei pruugi sobida, kuna ei suuda seda pinget taluda,” selgitas Oliver. "Materjalid nagu alumiiniumnitriid, mis on laia ribaga, võivad."