Zkoumání budoucích vyhlídek křemíkových polovodičových čipů

Co definuje roli polovodičů v technologii?

Materiály lze klasifikovat na základě jejich elektrické vodivosti – proud teče snadno ve vodičích, ale ne v izolantech. Polovodiče spadají mezi: mohou vést elektřinu za specifických podmínek, díky čemuž jsou extrémně užitečné ve výpočetní technice. Využitím polovodičů jako základu pro mikročipy můžeme řídit tok elektřiny uvnitř zařízení, což umožňuje všechny pozoruhodné funkce, na které dnes spoléháme.

Od jejich vzniku,křemíkovládl průmysl čipů a technologií, což vedlo k označení „Silicon Valley“. Pro budoucí technologie to však nemusí být nejvhodnější materiál. Abychom to pochopili, musíme se znovu podívat na to, jak fungují čipy, na současné technologické výzvy a na materiály, které mohou v budoucnu nahradit křemík.

Jak mikročipy překládají vstupy do počítačového jazyka?

Mikročipy jsou naplněny drobnými spínači nazývanými tranzistory, které překládají vstupy z klávesnice a softwarové programy do počítačového jazyka – binárního kódu. Když je spínač otevřený, může protékat proud, který představuje „1“; když je zavřený, nemůže, což představuje „0“. Vše, co moderní počítače dělají, se nakonec scvrkává na tyto přepínače.

Po desetiletí jsme zdokonalovali výpočetní výkon zvyšováním hustoty tranzistorů na mikročipech. Zatímco první mikročip obsahoval pouze jeden tranzistor, dnes můžeme miliardy těchto drobných spínačů zapouzdřit do čipů velikosti nehtu.

První mikročip byl vyroben z germania, ale technologický průmysl si to rychle uvědomilkřemíkbyl vynikajícím materiálem pro výrobu čipů. Mezi hlavní výhody křemíku patří jeho hojnost, nízká cena a vyšší bod tání, což znamená, že funguje lépe při zvýšených teplotách. Kromě toho lze křemík snadno „dopovat“ jinými materiály, což inženýrům umožňuje upravit jeho vodivost různými způsoby.

Jakým výzvám čelí křemík v moderních počítačích?

Klasická strategie vytváření rychlejších a výkonnějších počítačů neustálým zmenšováním tranzistorůkřemíkžetony začínají pokulhávat. Deep Jariwala, profesor inženýrství na Pensylvánské univerzitě, uvedl v roce 2022 v rozhovoru pro The Wall Street Journal: „Zatímco křemík může pracovat v tak malých rozměrech, energetická účinnost potřebná pro výpočet roste, takže je extrémně neudržitelný. Z energetického hlediska už to nedává smysl.“

Abychom mohli pokračovat ve zlepšování naší technologie bez dalšího poškozování životního prostředí, musíme se touto otázkou udržitelnosti zabývat. V této snaze někteří výzkumníci podrobně zkoumají čipy vyrobené z polovodičových materiálů jiných než křemík, včetně nitridu galia (GaN), sloučeniny vyrobené z galia a dusíku.

Proč nitrid galia získává pozornost jako polovodičový materiál?

Elektrická vodivost polovodičů se liší, především kvůli tomu, co je známé jako „bandgap“. Protony a neutrony se shlukují v jádře, zatímco kolem něj obíhají elektrony. Aby materiál vedl elektřinu, musí být elektrony schopny přeskočit z „valenčního pásma“ do „vodivého pásma“. Minimální energie potřebná pro tento přechod definuje bandgap materiálu.

Ve vodičích se tyto dvě oblasti překrývají, takže nedochází k žádnému bandgapu – elektrony mohou těmito materiály volně procházet. V izolátorech je bandgap velmi velký, takže je pro elektrony obtížné procházet i při použití značné energie. Polovodiče, stejně jako křemík, zaujímají střední úroveň;křemíkmá pásmovou mezeru 1,12 elektronvoltů (eV), zatímco nitrid galia se může pochlubit pásmovou mezerou 3,4 eV, což jej řadí do kategorie „široký pásmový polovodič“ (WBGS).

Materiály WBGS jsou ve spektru vodivosti blíže izolantům, vyžadují více energie pro elektrony k pohybu mezi dvěma pásmy, což je činí nevhodnými pro aplikace s velmi nízkým napětím. WBGS však může pracovat při vyšších napětích, teplotách a energetických frekvencích nežna bázi křemíkupolovodiče, což umožňuje zařízením, které je využívají, pracovat rychleji a efektivněji.

Rachel Oliverová, ředitelka Cambridge GaN Centre, řekla Freethink: „Když položíte ruku na nabíječku telefonu, bude vám horko; to je energie plýtvaná silikonovými čipy. Nabíječky GaN jsou na dotek mnohem chladnější – je zde podstatně méně plýtvané energie.“

Gallium a jeho sloučeniny se používají v technologickém průmyslu po celá desetiletí, včetně světelných diod, laserů, vojenských radarů, satelitů a solárních článků. Však,nitrid galliaje v současné době středem zájmu výzkumníků, kteří doufají, že technologie budou výkonnější a energeticky účinnější.

Jaké důsledky má nitrid galia pro budoucnost?

Jak uvedl Oliver, nabíječky telefonů GaN jsou již na trhu a výzkumníci se snaží využít tento materiál k vývoji rychlejších nabíječek pro elektromobily, čímž řeší významný problém spotřebitelů ohledně elektrických vozidel. "Zařízení jako elektrická vozidla se mohou nabíjet mnohem rychleji," řekl Oliver. "Pro vše, co vyžaduje přenosné napájení a rychlé nabíjení, má nitrid galia významný potenciál."

Nitrid galiamůže také vylepšit radarové systémy vojenských letadel a dronů, což jim umožní identifikovat cíle a hrozby na větší vzdálenosti, a zlepšit efektivitu serverů datových center, což je zásadní pro to, aby byla revoluce AI dostupná a udržitelná.

Vzhledem k tomunitrid galliavyniká v mnoha ohledech a existuje již nějakou dobu, proč se průmysl mikročipů nadále staví na křemíku? Odpověď spočívá jako vždy v ceně: čipy GaN jsou dražší a složitější na výrobu. Snížení nákladů a škálování výroby bude nějakou dobu trvat, ale vláda USA aktivně pracuje na nastartování tohoto vznikajícího odvětví.

V únoru 2024 Spojené státy přidělily 1,5 miliardy dolarů společnosti GlobalFoundries vyrábějící polovodiče podle zákona o čipech a vědě na rozšíření domácí výroby čipů.

 Část těchto prostředků bude použita na modernizaci výrobního závodu ve Vermontu, který mu umožní sériovou výrobunitrid gallia(GaN) polovodiče, což je schopnost, která v současnosti není v USA realizována. Podle oznámení o financování budou tyto polovodiče využívány v elektrických vozidlech, datových centrech, chytrých telefonech, energetických sítích a dalších technologiích. 

Nicméně, i když se USA podaří obnovit normální provoz ve svém výrobním sektoru, výrobaGaNčipů je podmíněna stabilní dodávkou gallia, která v současné době není zaručena. 

I když galium není vzácné – je přítomno v zemské kůře na úrovních srovnatelných s mědí – neexistuje ve velkých, těžitelných ložiskách, jako je měď. Nicméně stopová množství galia lze nalézt v rudách obsahujících hliník a zinek, což umožňuje jeho shromažďování během zpracování těchto prvků. 

Od roku 2022 se přibližně 90 % světového gallia vyrábělo v Číně. Mezitím USA nevyráběly gallium od 80. let 20. století, přičemž 53 % gallia bylo dováženo z Číny a zbytek pocházel z jiných zemí. 

V červenci 2023 Čína oznámila, že z důvodů národní bezpečnosti začne omezovat vývoz gallia a dalšího materiálu, germania. 

Čínské předpisy přímo nezakazují vývoz gallia do USA, ale vyžadují, aby potenciální kupci požádali o povolení a získali souhlas od čínské vlády. 

Američtí dodavatelé obrany budou téměř jistě čelit odmítnutí, zvláště pokud jsou uvedeni na čínském „seznamu nespolehlivých subjektů“. Dosud se zdá, že tato omezení vedla ke zvýšení cen gallia a prodloužení dodacích lhůt pro většinu výrobců čipů, spíše než k naprostému nedostatku, ačkoli Čína se může v budoucnu rozhodnout zpřísnit svou kontrolu nad tímto materiálem. 

USA si již dlouho uvědomují rizika spojená s jejich silnou závislostí na kritických minerálech na Číně – během sporu s Japonskem v roce 2010 Čína dočasně zakázala vývoz kovů vzácných zemin. V době, kdy Čína v roce 2023 oznámila svá omezení, USA již zkoumaly způsoby, jak posílit své dodavatelské řetězce. 

Mezi možné alternativy patří dovoz gallia z jiných zemí, jako je Kanada (pokud dokážou dostatečně zvýšit produkci) a recyklace materiálu z elektronického odpadu – výzkum v této oblasti financuje Agentura pro pokročilé výzkumné projekty Ministerstva obrany USA. 

Možností je také zřízení domácí dodávky galia. 

Nyrstar, společnost se sídlem v Nizozemsku, uvedla, že její továrna na zinek v Tennessee by mohla vytěžit dostatek gallia, aby pokryla 80 % současné poptávky v USA, ale výstavba zpracovatelského zařízení by stála až 190 milionů dolarů. Společnost v současné době vyjednává s americkou vládou o financování expanze.

Mezi potenciální zdroje gallia patří také ložisko v Round Top v Texasu. V roce 2021 americký geologický průzkum odhadl, že toto ložisko obsahuje přibližně 36 500 tun gallia – pro srovnání, Čína v roce 2022 vyprodukovala 750 tun gallia. 

Typicky se galium vyskytuje ve stopových množstvích a je extrémně rozptýlené; v březnu 2024 však společnost American Critical Materials Corp. objevila ložisko s relativně vysokou koncentrací vysoce kvalitního gallia v národním lese Kootenai v Montaně. 

V současné době musí být gallium z Texasu a Montany ještě extrahováno, ale výzkumníci z Idaho National Laboratory a American Critical Materials Corp. spolupracují na vývoji metody šetrné k životnímu prostředí pro získávání tohoto materiálu. 

Gallium není pro USA jedinou možností, jak zlepšit technologii mikročipů – Čína může vyrábět pokročilejší čipy pomocí některých neomezených materiálů, které mohou v některých případech překonat čipy na bázi galia. 

V říjnu 2024 zajistil výrobce čipů Wolfspeed až 750 milionů dolarů prostřednictvím zákona o CHIPS Act na vybudování největšího závodu na výrobu čipů z karbidu křemíku (také známého jako SiC) v USA. Tento typ čipu je dražší nežnitrid galliaale je výhodnější pro určité aplikace, jako jsou solární elektrárny s vysokým výkonem. 

Oliver řekl Freethink: „Nitrid galia funguje velmi dobře v určitých rozsazích napětíkarbid křemíkufunguje lépe u ostatních. Záleží tedy na napětí a výkonu, se kterými máte co do činění.“ 

USA také financují výzkum mikročipů založených na širokopásmových polovodičích, které mají bandgap větší než 3,4 eV. Tyto materiály zahrnují diamant, nitrid hliníku a nitrid boru; ačkoli jsou nákladné a náročné na zpracování, čipy vyrobené z těchto materiálů mohou jednoho dne nabídnout pozoruhodné nové funkce při nižších nákladech na životní prostředí.

 "Pokud mluvíte o typech napětí, které by se mohly podílet na přenosu pobřežní větrné energie do pobřežní sítě,nitrid gallianemusí být vhodné, protože nezvládne toto napětí,“ vysvětlil Oliver. "Materiály jako nitrid hliníku, které mají široké pásmo, mohou."