Utforska framtidsutsikterna för kiselhalvledarchips

Vad definierar halvledarnas roll i tekniken?

Material kan klassificeras baserat på deras elektriska ledningsförmåga - ström flyter lätt i ledare men inte i isolatorer. Halvledare hamnar däremellan: de kan leda elektricitet under specifika förhållanden, vilket gör dem extremt användbara vid datoranvändning. Genom att använda halvledare som grunden för mikrochips kan vi kontrollera flödet av elektricitet inom enheter, vilket möjliggör alla de anmärkningsvärda funktioner vi förlitar oss på idag.

Sedan deras start,kiselhar dominerat chip- och teknikindustrin, vilket leder till termen "Silicon Valley." Det kanske inte är det mest lämpliga materialet för framtida tekniker. För att förstå detta måste vi se över hur chips fungerar, de nuvarande tekniska utmaningarna och de material som kan ersätta kisel i framtiden.

Hur översätter mikrochips indata till datorspråk?

Mikrochips är fyllda med små omkopplare som kallas transistorer, som översätter tangentbordsingångar och program till datorspråk - binär kod. När en omkopplare är öppen kan ström flyta, vilket representerar en '1'; när den är stängd kan den inte, representerar en '0'. Allt moderna datorer gör handlar i slutändan om dessa switchar.

I decennier har vi förbättrat datorkraften genom att öka tätheten av transistorer på mikrochips. Medan det första mikrochippet bara innehöll en transistor, kan vi idag kapsla in miljarder av dessa små switchar i chips storleken på en fingernagel.

Det första mikrochippet var tillverkat av germanium, men det insåg teknikindustrin snabbtkiselvar ett överlägset material för spåntillverkning. Silikons främsta fördelar inkluderar dess överflöd, låga kostnader och högre smältpunkt, vilket innebär att den presterar bättre vid förhöjda temperaturer. Dessutom är kisel lätt att "dopas" med andra material, vilket gör att ingenjörer kan justera dess ledningsförmåga på olika sätt.

Vilka utmaningar står kisel inför i modern datoranvändning?

Den klassiska strategin att skapa snabbare, kraftfullare datorer genom att kontinuerligt krympa in transistorernakiselmarker börjar vackla. Deep Jariwala, professor i ingenjörsvetenskap vid University of Pennsylvania, sa i en intervju med The Wall Street Journal 2022, "Även om kisel kan arbeta i så små dimensioner, har energieffektiviteten som krävs för en beräkning ökat, vilket gör den extremt ohållbar. Ur energisynpunkt är det inte längre vettigt.”

För att fortsätta att förbättra vår teknik utan att ytterligare skada miljön måste vi ta itu med denna hållbarhetsfråga. I denna strävan undersöker vissa forskare noggrant chips gjorda av andra halvledarmaterial än kisel, inklusive galliumnitrid (GaN), en förening gjord av gallium och kväve.

Varför får galliumnitrid uppmärksamhet som ett halvledarmaterial?

Den elektriska ledningsförmågan hos halvledare varierar, främst på grund av det som kallas "bandgap". Protoner och neutroner samlas i kärnan, medan elektroner kretsar runt den. För att ett material ska leda elektricitet måste elektroner kunna hoppa från "valensbandet" till "ledningsbandet". Den minsta energi som krävs för denna övergång definierar materialets bandgap.

I ledare överlappar dessa två områden, vilket resulterar i inget bandgap - elektroner kan passera fritt genom dessa material. I isolatorer är bandgapet mycket stort, vilket gör det svårt för elektroner att passera även med betydande energi pålagd. Halvledare, som kisel, upptar en medelväg;kiselhar ett bandgap på 1,12 elektronvolt (eV), medan galliumnitrid har ett bandgap på 3,4 eV, vilket kategoriserar det som en "wide bandgap semiconductor" (WBGS).

WBGS-material är närmare isolatorer i konduktivitetsspektrumet, vilket kräver mer energi för elektroner att röra sig mellan de två banden, vilket gör dem olämpliga för tillämpningar med mycket låg spänning. WBGS kan dock arbeta vid högre spänningar, temperaturer och energifrekvenser änkiselbaseradhalvledare, vilket gör att enheter som använder dem kan köras snabbare och mer effektivt.

Rachel Oliver, chef för Cambridge GaN Centre, sa till Freethink: "Om du lägger handen på en telefonladdare kommer den att kännas varm; det är energin som slösas bort av kiselchips. GaN-laddare känns mycket svalare vid beröring – det finns betydligt mindre slöseri med energi.”

Gallium och dess föreningar har använts i teknikindustrin i årtionden, inklusive i lysdioder, lasrar, militärradar, satelliter och solceller. Dock,galliumnitridär för närvarande i fokus för forskare som hoppas kunna göra tekniken mer kraftfull och energieffektiv.

Vilka konsekvenser har galliumnitrid för framtiden?

Som Oliver nämnde finns GaN-telefonladdare redan på marknaden, och forskare strävar efter att utnyttja detta material för att utveckla snabbare laddare för elfordon, vilket tar itu med ett betydande konsumentproblem angående elfordon. "Enheter som elfordon kan laddas mycket snabbare," sa Oliver. "För allt som kräver bärbar kraft och snabb laddning har galliumnitrid en betydande potential."

Galliumnitridkan också förbättra radarsystemen för militära flygplan och drönare, så att de kan identifiera mål och hot från större avstånd, och förbättra effektiviteten hos datacenterservrar, vilket är avgörande för att göra AI-revolutionen överkomlig och hållbar.

Med tanke på detgalliumnitridutmärker sig i många aspekter och har funnits ett tag, varför fortsätter mikrochipsindustrin att bygga kring kisel? Svaret, som alltid, ligger i kostnaden: GaN-chips är dyrare och mer komplexa att tillverka. Att minska kostnaderna och skala produktionen kommer att ta tid, men den amerikanska regeringen arbetar aktivt för att kickstarta denna framväxande industri.

I februari 2024 tilldelade USA 1,5 miljarder dollar till halvledartillverkningsföretaget GlobalFoundries enligt CHIPS and Science Act för att utöka den inhemska chipproduktionen.

 En del av dessa medel kommer att användas för att uppgradera en tillverkningsanläggning i Vermont, vilket gör det möjligt för den att masstillverkagalliumnitrid(GaN) halvledare, en kapacitet som för närvarande inte realiseras i USA. Enligt finansieringsmeddelandet kommer dessa halvledare att användas i elfordon, datacenter, smartphones, elnät och andra tekniker. 

Men även om USA lyckas återställa normal verksamhet inom hela sin tillverkningssektor, kommer produktionen avGaNchips är beroende av en stabil tillgång på gallium, vilket för närvarande inte är garanterat. 

Även om gallium inte är sällsynt - det finns i jordskorpan i nivåer som är jämförbara med koppar - finns det inte i stora, brytbara fyndigheter som koppar. Icke desto mindre kan spårmängder av gallium hittas i malmer som innehåller aluminium och zink, vilket gör att det kan samlas upp under bearbetningen av dessa grundämnen. 

Från och med 2022 producerades cirka 90 % av världens gallium i Kina. Samtidigt har USA inte producerat gallium sedan 1980-talet, med 53% av dess gallium importerat från Kina och resten kommer från andra länder. 

I juli 2023 meddelade Kina att man skulle börja begränsa exporten av gallium och ett annat material, germanium, av nationella säkerhetsskäl. 

Kinas regler förbjuder inte direkt export av gallium till USA, men de kräver att potentiella köpare ansöker om tillstånd och skaffar godkännande från den kinesiska regeringen. 

Amerikanska försvarsentreprenörer kommer nästan säkert att möta avslag, särskilt om de är listade på Kinas "otillförlitliga enhetslista". Hittills verkar dessa restriktioner ha resulterat i ökade galliumpriser och utökade orderleveranstider för de flesta chiptillverkare, snarare än en direkt brist, även om Kina kan välja att skärpa sin kontroll över detta material i framtiden. 

USA har länge insett riskerna som är förknippade med dess stora beroende av Kina för kritiska mineraler - under en tvist med Japan 2010 förbjöd Kina tillfälligt export av sällsynta jordartsmetaller. När Kina tillkännagav sina restriktioner 2023, undersökte USA redan metoder för att stärka sina leveranskedjor. 

Möjliga alternativ inkluderar import av gallium från andra länder, som Kanada (om de kan öka produktionen tillräckligt), och återvinning av materialet från elektroniskt avfall – forskning inom detta område finansieras av det amerikanska försvarsdepartementets Advanced Research Projects Agency. 

Att etablera ett inhemskt utbud av gallium är också ett alternativ. 

Nyrstar, ett företag baserat i Nederländerna, indikerade att dess zinkfabrik i Tennessee kunde utvinna tillräckligt med gallium för att möta 80 % av USA:s nuvarande efterfrågan, men att bygga bearbetningsanläggningen skulle kosta upp till 190 miljoner dollar. Företaget förhandlar för närvarande med den amerikanska regeringen om expansionsfinansiering.

Potentiella galliumkällor inkluderar också en fyndighet i Round Top, Texas. År 2021 uppskattade U.S. Geological Survey att denna fyndighet innehåller cirka 36 500 ton gallium - som jämförelse producerade Kina 750 ton gallium 2022. 

Vanligtvis förekommer gallium i spårmängder och är extremt dispergerat; dock i mars 2024 upptäckte American Critical Materials Corp. en fyndighet med en relativt hög koncentration av högkvalitativt gallium i Kootenai National Forest i Montana. 

För närvarande har gallium från Texas och Montana ännu inte utvunnits, men forskare från Idaho National Laboratory och American Critical Materials Corp. samarbetar för att utveckla en miljövänlig metod för att få fram detta material. 

Gallium är inte det enda alternativet för USA att förbättra mikrochipstekniken – Kina kan producera mer avancerade chips med hjälp av vissa fria material, som i vissa fall kan överträffa galliumbaserade chips. 

I oktober 2024 säkrade chiptillverkaren Wolfspeed upp till 750 miljoner dollar i finansiering genom CHIPS Act för att bygga den största kiselkarbidfabriken (även känd som SiC) chiptillverkning i USA. Denna typ av chip är dyrare ängalliumnitridmen är att föredra för vissa tillämpningar, såsom solkraftverk med hög effekt. 

Oliver sa till Freethink, "Galliumnitrid presterar mycket bra vid vissa spänningsområden, medankiselkarbidpresterar bättre på andra. Så det beror på spänningen och effekten du har att göra med." 

USA finansierar också forskning om mikrochips baserade på halvledare med breda bandgap, som har ett bandgap större än 3,4 eV. Dessa material inkluderar diamant, aluminiumnitrid och bornitrid; även om de är dyra och utmanande att bearbeta, kan chips tillverkade av dessa material en dag erbjuda anmärkningsvärda nya funktioner till lägre miljökostnader.

 "Om du pratar om de typer av spänningar som kan vara involverade i att överföra havsbaserad vindkraft till nätet på land,galliumnitridkanske inte är lämplig, eftersom den inte kan hantera den spänningen”, förklarade Oliver. "Material som aluminiumnitrid, som har breda bandgap, kan."