Hjem > Nyheder > Industri nyheder

Udforskning af fremtidsudsigterne for siliciumhalvlederchips

2024-11-15

Hvad definerer halvledernes rolle i teknologien?

Materialer kan klassificeres baseret på deres elektriske ledningsevne - strømmen flyder let i ledere, men kan ikke i isolatorer. Halvledere falder i mellem: de kan lede elektricitet under specifikke forhold, hvilket gør dem ekstremt nyttige i databehandling. Ved at bruge halvledere som grundlaget for mikrochips kan vi kontrollere strømmen af ​​elektricitet i enheder, hvilket muliggør alle de bemærkelsesværdige funktioner, vi er afhængige af i dag.


Siden deres start,siliciumhar domineret chip- og teknologiindustrien, hvilket fører til udtrykket "Silicon Valley." Det er dog muligvis ikke det mest egnede materiale til fremtidige teknologier. For at forstå dette må vi gense, hvordan chips fungerer, de nuværende teknologiske udfordringer og de materialer, der kan erstatte silicium i fremtiden.


Hvordan oversætter mikrochips input til computersprog?

Mikrochips er fyldt med bittesmå kontakter kaldet transistorer, som oversætter tastaturinput og softwareprogrammer til computersprog - binær kode. Når en kontakt er åben, kan der strømme strøm, hvilket repræsenterer et '1'; når den er lukket, kan den ikke, hvilket repræsenterer et '0'. Alt, hvad moderne computere gør, koger i sidste ende ned til disse kontakter.


I årtier har vi forbedret computerkraften ved at øge tætheden af ​​transistorer på mikrochips. Mens den første mikrochip kun indeholdt én transistor, kan vi i dag indkapsle milliarder af disse små kontakter i chips på størrelse med en fingernegl.


Den første mikrochip var lavet af germanium, men det indså teknologiindustrien hurtigtsiliciumvar et overlegent materiale til spånfremstilling. Siliciums primære fordele omfatter dets overflod, lave omkostninger og højere smeltepunkt, hvilket betyder, at det klarer sig bedre ved høje temperaturer. Derudover er silicium let at "dotere" med andre materialer, hvilket gør det muligt for ingeniører at justere dets ledningsevne på forskellige måder.


Hvilke udfordringer står silicium over for i moderne computing?

Den klassiske strategi med at skabe hurtigere, mere kraftfulde computere ved løbende at krympe transistorerne indsiliciumchips begynder at vakle. Deep Jariwala, professor i ingeniørvidenskab ved University of Pennsylvania, udtalte i et 2022-interview med The Wall Street Journal: "Mens silicium kan arbejde i så små dimensioner, er den energieffektivitet, der kræves til en beregning, steget, hvilket gør den ekstremt uholdbar. Fra et energimæssigt synspunkt giver det ikke længere mening."


For at fortsætte med at forbedre vores teknologi uden yderligere at skade miljøet, må vi løse dette bæredygtighedsproblem. I denne forfølgelse undersøger nogle forskere nøje chips lavet af andre halvledermaterialer end silicium, herunder galliumnitrid (GaN), en forbindelse lavet af gallium og nitrogen.


Hvorfor får galliumnitrid opmærksomhed som et halvledermateriale?

Den elektriske ledningsevne af halvledere varierer, primært på grund af det, der er kendt som "båndgabet". Protoner og neutroner samler sig i kernen, mens elektroner kredser omkring den. For at et materiale kan lede elektricitet, skal elektroner være i stand til at springe fra "valensbåndet" til "ledningsbåndet". Den minimale energi, der kræves til denne overgang, definerer materialets båndgab.


I ledere overlapper disse to områder, hvilket resulterer i ingen båndgab - elektroner kan passere frit gennem disse materialer. I isolatorer er båndgabet meget stort, hvilket gør det vanskeligt for elektroner at krydse selv med betydelig energi påført. Halvledere, ligesom silicium, indtager en mellemting;siliciumhar et båndgab på 1,12 elektronvolt (eV), mens galliumnitrid kan prale af et båndgab på 3,4 eV, hvilket kategoriserer det som en "wide bandgap semiconductor" (WBGS).



WBGS-materialer er tættere på isolatorer i ledningsevnespektret, hvilket kræver mere energi for elektroner at bevæge sig mellem de to bånd, hvilket gør dem uegnede til meget lavspændingsapplikationer. WBGS kan dog fungere ved højere spændinger, temperaturer og energifrekvenser endsiliciumbaserethalvledere, hvilket gør det muligt for enheder, der bruger dem, at køre hurtigere og mere effektivt.


Rachel Oliver, direktør for Cambridge GaN Centre, fortalte Freethink: "Hvis du lægger din hånd på en telefonoplader, vil den føles varm; det er den energi, der spildes af siliciumchips. GaN-opladere føles meget køligere at røre ved - der er betydeligt mindre spild af energi."


Gallium og dets forbindelser er blevet brugt i teknologiindustrien i årtier, herunder i lysdioder, lasere, militær radar, satellitter og solceller. Imidlertid,galliumnitrider i øjeblikket i fokus for forskere, der håber at gøre teknologien mere kraftfuld og energieffektiv.


Hvilke konsekvenser har galliumnitrid for fremtiden?

Som Oliver nævnte, er GaN-telefonopladere allerede på markedet, og forskere sigter mod at udnytte dette materiale til at udvikle hurtigere opladere til elektriske køretøjer, der adresserer en betydelig forbrugerbekymring vedrørende elektriske køretøjer. "Enheder som elektriske køretøjer kan oplade meget hurtigere," sagde Oliver. "For alt, der kræver bærbar strøm og hurtig opladning, har galliumnitrid et betydeligt potentiale."


Galliumnitridkan også forbedre radarsystemerne for militære fly og droner, så de kan identificere mål og trusler fra større afstande og forbedre effektiviteten af ​​datacenterservere, hvilket er afgørende for at gøre AI-revolutionen overkommelig og bæredygtig.


I betragtning af detgalliumnitridudmærker sig i mange aspekter og har eksisteret i nogen tid, hvorfor fortsætter mikrochipindustrien med at bygge op omkring silicium? Svaret ligger som altid i omkostningerne: GaN-chips er dyrere og mere komplekse at fremstille. At reducere omkostningerne og skalere produktionen vil tage tid, men den amerikanske regering arbejder aktivt på at kickstarte denne nye industri.


I februar 2024 tildelte USA 1,5 milliarder dollars til halvlederfremstillingsvirksomheden GlobalFoundries under CHIPS and Science Act for at udvide den indenlandske chipproduktion.


 En del af disse midler vil blive brugt til at opgradere en produktionsfacilitet i Vermont, så den kan masseproduceregalliumnitrid(GaN) halvledere, en funktion, der i øjeblikket ikke er realiseret i USA. Ifølge finansieringsmeddelelsen vil disse halvledere blive brugt i elektriske køretøjer, datacentre, smartphones, elnet og andre teknologier. 


Men selv hvis USA formår at genoprette normal drift på tværs af sin produktionssektor, vil produktionen afGaNchips er betinget af en stabil forsyning af gallium, hvilket i øjeblikket ikke er garanteret. 


Selvom gallium ikke er sjældent - det er til stede i jordskorpen i niveauer, der kan sammenlignes med kobber - findes det ikke i store, udvindelige aflejringer som kobber. Ikke desto mindre kan spormængder af gallium findes i malme, der indeholder aluminium og zink, hvilket muliggør dets opsamling under behandlingen af ​​disse elementer. 


Fra 2022 blev cirka 90% af verdens gallium produceret i Kina. I mellemtiden har USA ikke produceret gallium siden 1980'erne, med 53% af dets gallium importeret fra Kina og resten hentet fra andre lande. 


I juli 2023 annoncerede Kina, at det ville begynde at begrænse eksporten af ​​gallium og et andet materiale, germanium, af nationale sikkerhedsmæssige årsager. 


Kinas regler forbyder ikke direkte eksport af gallium til USA, men de kræver, at potentielle købere ansøger om tilladelser og opnår godkendelse fra den kinesiske regering. 


Amerikanske forsvarsentreprenører er næsten sikre på at blive afvist, især hvis de er opført på Kinas "upålidelige enhedsliste." Indtil videre ser disse restriktioner ud til at have resulteret i øgede galliumpriser og forlængede ordreleveringstider for de fleste chipproducenter snarere end en direkte mangel, selvom Kina kan vælge at stramme sin kontrol over dette materiale i fremtiden. 


USA har længe erkendt de risici, der er forbundet med dets store afhængighed af Kina for kritiske mineraler - under en tvist med Japan i 2010 forbød Kina midlertidigt eksport af sjældne jordarters metaller. Da Kina annoncerede sine restriktioner i 2023, var USA allerede i gang med at udforske metoder til at styrke sine forsyningskæder. 


Mulige alternativer omfatter import af gallium fra andre lande, såsom Canada (hvis de kan øge produktionen tilstrækkeligt) og genanvendelse af materialet fra elektronisk affald - forskning på dette område finansieres af det amerikanske forsvarsministeriums Advanced Research Projects Agency. 


Etablering af en indenlandsk forsyning af gallium er også en mulighed. 


Nyrstar, et firma baseret i Holland, antydede, at dets zinkfabrik i Tennessee kunne udvinde nok gallium til at imødekomme 80% af den nuværende amerikanske efterspørgsel, men at opføre forarbejdningsanlægget ville koste op til $190 millioner. Virksomheden forhandler i øjeblikket med den amerikanske regering om udvidelsesfinansiering.


Potentielle galliumkilder omfatter også et depositum i Round Top, Texas. I 2021 anslog U.S. Geological Survey, at denne forekomst indeholder cirka 36.500 tons gallium - til sammenligning producerede Kina 750 tons gallium i 2022. 


Typisk forekommer gallium i spormængder og er ekstremt spredt; i marts 2024 opdagede American Critical Materials Corp. imidlertid en forekomst med en relativt høj koncentration af højkvalitets gallium i Kootenai National Forest i Montana. 


I øjeblikket er gallium fra Texas og Montana endnu ikke udvundet, men forskere fra Idaho National Laboratory og American Critical Materials Corp. samarbejder om at udvikle en miljøvenlig metode til at opnå dette materiale. 


Gallium er ikke USA's eneste mulighed for at forbedre mikrochipteknologien - Kina kan producere mere avancerede chips ved hjælp af nogle ubegrænsede materialer, som i nogle tilfælde kan overgå galliumbaserede chips. 


I oktober 2024 sikrede chipproducenten Wolfspeed op til $750 millioner i finansiering gennem CHIPS Act til at bygge den største siliciumcarbid (også kendt som SiC) chipproduktionsfacilitet i USA. Denne type chip er dyrere endgalliumnitridmen er at foretrække til visse applikationer, såsom højeffekt solenergianlæg. 


Oliver fortalte Freethink, "Galliumnitrid fungerer meget godt ved visse spændingsområder, menssiliciumcarbidklarer sig bedre på andre. Så det afhænger af den spænding og effekt, du har med at gøre." 


USA finansierer også forskning i mikrochips baseret på bredbåndshalvledere, som har et båndgab større end 3,4 eV. Disse materialer omfatter diamant, aluminiumnitrid og bornitrid; selvom de er dyre og udfordrende at behandle, kan chips fremstillet af disse materialer en dag byde på bemærkelsesværdige nye funktioner til lavere miljøomkostninger.


 "Hvis du taler om de typer spændinger, der kan være involveret i at overføre offshore vindkraft til onshore-nettet,galliumnitrider måske ikke egnet, da den ikke kan håndtere den spænding,” forklarede Oliver. "Materialer som aluminiumnitrid, som har bred båndafstand, kan."

X
We use cookies to offer you a better browsing experience, analyze site traffic and personalize content. By using this site, you agree to our use of cookies. Privacy Policy
Reject Accept