Silicio puslaidininkinių lustų ateities perspektyvų tyrinėjimas

Kas apibrėžia puslaidininkių vaidmenį technologijoje?

Medžiagos gali būti klasifikuojamos pagal jų elektrinį laidumą - srovė lengvai teka laiduose, bet ne izoliatoriuose. Puslaidininkiai patenka tarp jų: ​​tam tikromis sąlygomis jie gali praleisti elektrą, todėl yra labai naudingi kompiuteriams. Naudodami puslaidininkius kaip mikroschemų pagrindą, galime valdyti elektros srautą įrenginiuose, todėl galime atlikti visas nuostabias funkcijas, kuriomis šiandien pasitikime.

Nuo pat jų įkūrimo,siliciodominuoja lustų ir technologijų pramonėje, todėl atsirado terminas „Silicio slėnis“. Tačiau tai gali būti ne pati tinkamiausia medžiaga ateities technologijoms. Norėdami tai suprasti, turime dar kartą peržiūrėti lustų veikimą, dabartinius technologinius iššūkius ir medžiagas, kurios ateityje gali pakeisti silicį.

Kaip mikroschemos išverčia įvestis į kompiuterio kalbą?

Mikroschemos užpildytos mažais jungikliais, vadinamais tranzistoriais, kurie verčia klaviatūros įvestis ir programinės įrangos programas į kompiuterio kalbą – dvejetainį kodą. Kai jungiklis atidarytas, srovė gali tekėti, o tai reiškia „1“; kai uždarytas, jis negali, o tai reiškia „0“. Viskas, ką daro šiuolaikiniai kompiuteriai, galiausiai susiveda į šiuos jungiklius.

Dešimtmečius tobulinome skaičiavimo galią didindami mikroschemų tranzistorių tankį. Nors pirmoje mikroschemoje buvo tik vienas tranzistorius, šiandien mes galime sutalpinti milijardus šių mažyčių jungiklių į nago dydžio lustus.

Pirmoji mikroschema buvo pagaminta iš germanio, tačiau technologijų pramonė greitai tai supratosiliciobuvo puiki medžiaga drožlių gamybai. Pagrindiniai silicio pranašumai yra jo gausa, maža kaina ir aukštesnė lydymosi temperatūra, o tai reiškia, kad jis geriau veikia aukštesnėje temperatūroje. Be to, silicį lengva sumaišyti su kitomis medžiagomis, todėl inžinieriai gali įvairiais būdais reguliuoti jo laidumą.

Su kokiais iššūkiais susiduria silicis šiuolaikinėje kompiuterijoje?

Klasikinė strategija sukurti greitesnius ir galingesnius kompiuterius nuolat mažinant tranzistoriussiliciotraškučiai pradeda šlubuoti. Deep Jariwala, Pensilvanijos universiteto inžinerijos profesorius, 2022 m. interviu „The Wall Street Journal“ teigė: „Nors silicis gali dirbti tokiais mažais matmenimis, skaičiavimams reikalingas energijos vartojimo efektyvumas auga, todėl jis yra labai netvarus. Energetiniu požiūriu tai nebėra prasmės.

Norėdami toliau tobulinti savo technologijas nedarant žalos aplinkai, turime spręsti šią tvarumo problemą. Šiuo tikslu kai kurie mokslininkai atidžiai tiria lustus, pagamintus iš puslaidininkių medžiagų, išskyrus silicį, įskaitant galio nitridą (GaN), junginį, pagamintą iš galio ir azoto.

Kodėl galio nitridas sulaukia dėmesio kaip puslaidininkinė medžiaga?

Puslaidininkių elektrinis laidumas skiriasi, visų pirma dėl to, kas žinoma kaip „juostos tarpas“. Protonai ir neutronai telkiasi branduolyje, o aplink jį skrieja elektronai. Kad medžiaga praleidžia elektrą, elektronai turi sugebėti peršokti iš „valentinės juostos“ į „laidumo juostą“. Mažiausia energija, reikalinga šiam perėjimui, apibrėžia medžiagos juostos tarpą.

Laidininkuose šios dvi sritys persidengia, todėl nėra juostos tarpo – elektronai gali laisvai praeiti per šias medžiagas. Izoliatoriuose juostos tarpas yra labai didelis, todėl elektronams sunku pereiti net ir naudojant didelę energiją. Puslaidininkiai, kaip ir silicis, užima vidurį;silicioturi 1,12 elektronų voltų (eV), o galio nitrido juostos tarpas yra 3,4 eV, todėl jis priskiriamas „plačios juostos puslaidininkių“ (WBGS) kategorijai.

WBGS medžiagos laidumo spektre yra arčiau izoliatorių, todėl elektronams reikia daugiau energijos, kad judėtų tarp dviejų juostų, todėl jos netinkamos naudoti labai žemoje įtampoje. Tačiau WBGS gali veikti esant aukštesnei įtampai, temperatūrai ir energijos dažniams neisilicio pagrindupuslaidininkiai, leidžiantys juos naudojantiems įrenginiams veikti greičiau ir efektyviau.

Kembridžo GaN centro direktorė Rachel Oliver pasakojo „Freethink“: „Jei uždėsite ranką ant telefono įkroviklio, jausitės karšta; tai silicio lustų eikvojama energija. GaN įkrovikliai jaučiasi daug vėsesni palietus – išeikvojama daug mažiau energijos.

Galis ir jo junginiai buvo naudojami technologijų pramonėje dešimtmečius, įskaitant šviesos diodus, lazerius, karinius radarus, palydovus ir saulės elementus. Tačiaugalio nitridasšiuo metu yra tyrėjų, kurie tikisi padaryti technologijas galingesnes ir energiją taupančias, dėmesio centre.

Kokias pasekmes galio nitridas turi ateičiai?

Kaip paminėjo Oliveris, GaN telefonų įkrovikliai jau yra rinkoje, o mokslininkai siekia panaudoti šią medžiagą kurdami greitesnius elektromobilių įkroviklius, taip išspręsdami didelį vartotojų susirūpinimą dėl elektromobilių. „Įrenginiai, tokie kaip elektrinės transporto priemonės, gali įkrauti daug greičiau“, - sakė Oliveris. „Galio nitridas turi didelį potencialą bet kam, kam reikalinga nešiojama galia ir greitas įkrovimas.

Galio nitridastaip pat gali patobulinti karinių orlaivių ir bepiločių orlaivių radarų sistemas, leidžiančias identifikuoti taikinius ir grėsmes iš didesnio atstumo, ir pagerinti duomenų centrų serverių efektyvumą, o tai labai svarbu, kad dirbtinio intelekto revoliucija būtų prieinama ir tvari.

Atsižvelgiant į taigalio nitridaspasižymi daugeliu aspektų ir egzistuoja jau kurį laiką, kodėl mikroschemų pramonė ir toliau kuria silicį? Atsakymas, kaip visada, slypi sąnaudose: GaN lustai yra brangesni ir sudėtingesni gaminti. Sąnaudų mažinimas ir gamybos apimties didinimas užtruks, tačiau JAV vyriausybė aktyviai dirba, kad paskatintų šią besiformuojančią pramonės šaką.

2024 m. vasario mėn. JAV pagal CHIPS ir mokslo įstatymą puslaidininkių gamybos įmonei „GlobalFoundries“ skyrė 1,5 mlrd.

 Dalis šių lėšų bus panaudota Vermonte esančiai gamyklai atnaujinti, kad būtų galima masiškai gamintigalio nitridas(GaN) puslaidininkiai – galimybė, kuri šiuo metu JAV nerealizuota. Remiantis finansavimo pranešimu, šie puslaidininkiai bus naudojami elektrinėse transporto priemonėse, duomenų centruose, išmaniuosiuose telefonuose, elektros tinkluose ir kitose technologijose. 

Tačiau net jei JAV pavyks atkurti normalią veiklą visame gamybos sektoriuje, gamybaGaNlustai priklauso nuo stabilaus galio tiekimo, kuris šiuo metu nėra garantuotas. 

Nors galis nėra retas – Žemės plutoje jo yra tokiais kiekiais, kaip vario – didelėse, kasamose, tokiose kaip varis, telkiniuose jo nėra. Nepaisant to, galio pėdsakus galima rasti rūdose, kuriose yra aliuminio ir cinko, todėl jį galima surinkti apdorojant šiuos elementus. 

2022 m. maždaug 90% pasaulio galio buvo pagaminta Kinijoje. Tuo tarpu JAV nebegamina galio nuo devintojo dešimtmečio, 53% galio importuojama iš Kinijos, o likusi dalis gaunama iš kitų šalių. 

2023 m. liepą Kinija paskelbė, kad dėl nacionalinio saugumo priežasčių pradės riboti galio ir kitos medžiagos – germanio – eksportą. 

Kinijos taisyklės visiškai nedraudžia galio eksporto į JAV, tačiau reikalaujama, kad potencialūs pirkėjai prašytų leidimų ir gautų Kinijos vyriausybės patvirtinimą. 

JAV gynybos rangovai beveik neabejotinai susidurs su atmetimu, ypač jei jie yra įtraukti į Kinijos „nepatikimų subjektų sąrašą“. Iki šiol atrodo, kad dėl šių apribojimų daugumai lustų gamintojų padidėjo galio kainos ir pailgėjo užsakymų pristatymo laikas, o ne tiesioginis trūkumas, nors Kinija ateityje gali nuspręsti sugriežtinti šios medžiagos kontrolę. 

JAV jau seniai pripažino riziką, susijusią su dideliu priklausomybe nuo Kinijos dėl svarbiausių mineralų – per ginčą su Japonija 2010 m. Kinija laikinai uždraudė retųjų žemių metalų eksportą. Tuo metu, kai Kinija paskelbė apie savo apribojimus 2023 m., JAV jau ieškojo būdų, kaip sustiprinti savo tiekimo grandines. 

Galimos alternatyvos yra galio importas iš kitų šalių, pavyzdžiui, Kanados (jei jos gali pakankamai padidinti gamybą) ir medžiagos perdirbimas iš elektroninių atliekų – šios srities tyrimus finansuoja JAV Gynybos departamento Pažangių tyrimų projektų agentūra. 

Taip pat yra galimybė sukurti vidaus galio tiekimą. 

Nyrstar, Nyderlanduose įsikūrusi bendrovė, nurodė, kad jos cinko gamykla Tenesyje gali išgauti pakankamai galio, kad patenkintų 80% dabartinės JAV paklausos, tačiau perdirbimo įrenginio statyba kainuotų iki 190 mln. Šiuo metu bendrovė derasi su JAV vyriausybe dėl plėtros finansavimo.

Galimi galio šaltiniai taip pat apima telkinį Round Top mieste, Teksase. 2021 m. JAV geologijos tarnyba apskaičiavo, kad šiame telkinyje yra maždaug 36 500 tonų galio – palyginimui, Kinija 2022 m. pagamino 750 tonų galio. 

Paprastai galio yra nedideliais kiekiais ir jis yra labai išsklaidytas; tačiau 2024 m. kovą „American Critical Materials Corp.“ aptiko telkinį, kuriame yra gana didelė aukštos kokybės galio koncentracija, Kootenų nacionaliniame miške Montanoje. 

Šiuo metu galio iš Teksaso ir Montanos dar reikia išgauti, tačiau mokslininkai iš Idaho National Laboratory ir American Critical Materials Corp. bendradarbiauja kurdami aplinkai nekenksmingą šios medžiagos gavimo metodą. 

Galis nėra vienintelė JAV galimybė tobulinti mikroschemų technologiją – Kinija gali gaminti pažangesnius lustus naudodama kai kurias nevaržomas medžiagas, kurios kai kuriais atvejais gali pranokti galio pagrindu pagamintus lustus. 

2024 m. spalio mėn. lustų gamintojas Wolfspeed pagal CHIPS įstatymą užsitikrino iki 750 mln.galio nitridasbet tinka tam tikroms reikmėms, pavyzdžiui, didelės galios saulės elektrinėms. 

Oliveris „Freethink“ sakė: „Galio nitridas labai gerai veikia tam tikruose įtampos diapazonuosesilicio karbidasgeriau sekasi kitiems. Taigi tai priklauso nuo įtampos ir galios, su kuria susiduriate. 

JAV taip pat finansuoja mikroschemų, pagrįstų plačiajuosčiais puslaidininkiais, kurių pralaidumas didesnis nei 3,4 eV, tyrimus. Šios medžiagos yra deimantas, aliuminio nitridas ir boro nitridas; Nors iš šių medžiagų pagaminti lustai yra brangūs ir sudėtingi apdirbti, vieną dieną gali pasiūlyti puikių naujų funkcijų už mažesnes aplinkosaugos sąnaudas.

 „Jei kalbate apie įtampas, kurios gali būti susijusios su vėjo energijos perdavimu jūroje į sausumos tinklą,galio nitridasgali būti netinkamas, nes negali atlaikyti tokios įtampos“, – paaiškino Oliveris. „Galima naudoti tokias medžiagas kaip aliuminio nitridas, kurios yra plačios juostos.