Кремний жартылай өткізгіш микросхемалардың болашақ перспективаларын зерттеу

Жартылай өткізгіштердің техникадағы рөлі немен анықталады?

Материалдарды олардың электр өткізгіштігі бойынша жіктеуге болады - ток ағындары өткізгіштерде оңай өтеді, бірақ оқшаулағыштарда болмайды. Жартылай өткізгіштер арасында болады: олар белгілі бір жағдайларда электр тогын өткізе алады, бұл оларды есептеуде өте пайдалы етеді. Жартылай өткізгіштерді микрочиптердің негізі ретінде пайдалану арқылы біз құрылғылардағы электр ағынын басқара аламыз, бұл бүгінгі таңда біз сенетін барлық керемет функцияларды қоса аламыз.

Олар құрылған күннен бастап,кремнийчип пен технология индустриясында үстемдік етіп, «Кремний алқабы» терминіне әкелді. Дегенмен, бұл болашақ технологиялар үшін ең қолайлы материал болмауы мүмкін. Мұны түсіну үшін біз чиптердің қалай жұмыс істейтінін, қазіргі технологиялық қиындықтарды және болашақта кремнийді алмастыра алатын материалдарды қайта қарауымыз керек.

Микрочиптер кірістерді компьютер тіліне қалай аударады?

Микрочиптер транзисторлар деп аталатын кішкентай қосқыштармен толтырылған, олар пернетақтадан кірістер мен бағдарламалық құралдарды компьютер тіліне - екілік кодқа аударады. Коммутатор ашық болғанда, ток ағып кетуі мүмкін, ол «1» белгісін білдіреді; жабылған кезде ол «0» белгісін білдіре алмайды. Қазіргі заманғы компьютерлер жасайтын барлық нәрсе, сайып келгенде, осы қосқыштарға байланысты.

Біз ондаған жылдар бойы микрочиптердегі транзисторлардың тығыздығын арттыру арқылы есептеу қуатын жақсарттық. Алғашқы микрочипте бір ғана транзистор болғанымен, бүгінде біз миллиардтаған осы кішкентай қосқыштарды тырнақ көлеміндей микросхемаларға сала аламыз.

Алғашқы микрочип германийден жасалған, бірақ технология индустриясы мұны тез түсіндікремнийчип жасау үшін ең жақсы материал болды. Кремнийдің негізгі артықшылықтары оның көптігі, төмен құны және жоғары балқу температурасын қамтиды, яғни ол жоғары температурада жақсы жұмыс істейді. Сонымен қатар, кремнийді басқа материалдармен «қоспалау» оңай, бұл инженерлерге оның өткізгіштігін әртүрлі тәсілдермен реттеуге мүмкіндік береді.

Қазіргі заманғы есептеуіш техникада кремний қандай қиындықтарға тап болады?

Транзисторларды үнемі қысқарту арқылы жылдамырақ, қуаттырақ компьютерлерді жасаудың классикалық стратегиясыкремнийчипсы әлсірей бастайды. Пенсильвания университетінің инженерлік профессоры Дип Джаривала 2022 жылы The Wall Street Journal журналына берген сұхбатында былай деді: «Кремний осындай шағын өлшемдерде жұмыс істей алатынымен, есептеуге қажетті энергия тиімділігі артып, оны өте тұрақсыз етеді. Энергетикалық тұрғыдан алғанда, бұл енді мағынасы жоқ ».

Қоршаған ортаға зиян келтірместен технологиямызды жетілдіруді жалғастыру үшін біз осы тұрақтылық мәселесін шешуіміз керек. Бұл ізденіс барысында кейбір зерттеушілер кремнийден басқа жартылай өткізгіш материалдардан жасалған чиптерді, соның ішінде галлий нитриді (GaN), галлий мен азоттан жасалған қосылыстарды мұқият зерттейді.

Неліктен галлий нитриді жартылай өткізгіш материал ретінде назар аударады?

Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі, ең алдымен, «жолақ» деп аталатын нәрсеге байланысты өзгереді. Протондар мен нейтрондар ядрода шоғырланады, ал электрондар оның айналасында айналады. Материал электр тогын өткізу үшін электрондар «валенттік аймақтан» «өткізгіштік аймаққа» секіре алуы керек. Бұл ауысуға қажетті минималды энергия материалдың өткізу жолағын анықтайды.

Өткізгіштерде бұл екі аймақ қабаттасады, нәтижесінде жолақ аралықтары болмайды — электрондар бұл материалдар арқылы еркін өте алады. Оқшаулағыштарда жолақ кеңістігі өте үлкен, тіпті айтарлықтай энергия қолданылғанда электрондардың өтуін қиындатады. Жартылай өткізгіштер кремний сияқты орта орынды алады;кремний1,12 электрон-вольт (эВ) өткізу диапазоны бар, ал галлий нитриді 3,4 эВ диапазонымен мақтана отырып, оны «кең жолақты жартылай өткізгіш» (WBGS) санатына жатқызады.

WBGS материалдары өткізгіштік спектріндегі оқшаулағыштарға жақынырақ, электрондардың екі жолақ арасында қозғалуы үшін көбірек энергияны қажет етеді, бұл оларды өте төмен вольтты қолданбалар үшін жарамсыз етеді. Дегенмен, WBGS жоғары кернеулерде, температураларда және энергия жиіліктерінде жұмыс істей аладыкремний негізіндегіжартылай өткізгіштер, оларды пайдаланатын құрылғылардың жылдамырақ және тиімдірек жұмыс істеуіне мүмкіндік береді.

Cambridge GaN орталығының директоры Рэйчел Оливер Freethink басылымына былай деді: «Егер қолыңызды телефон зарядтағышына қойсаңыз, ол ыстық болады; бұл кремний чиптері босқа кететін энергия. GaN зарядтағыштары жанасуды әлдеқайда салқын сезінеді - босқа кететін энергия айтарлықтай аз болады ».

Галий және оның қосылыстары ондаған жылдар бойы технологиялық индустрияда, соның ішінде жарық диодтарында, лазерлерде, әскери радарларда, спутниктерде және күн батареяларында қолданылған. Дегенмен,галий нитридіқазіргі уақытта технологияны қуаттырақ және энергияны үнемдейтін жасауға үміттенетін зерттеушілердің назарында.

Галлий нитриді болашаққа қандай әсер етеді?

Оливер атап өткендей, GaN телефонының зарядтағыштары қазірдің өзінде нарықта және зерттеушілер бұл материалды электр көліктеріне қатысты тұтынушылардың маңызды мәселелерін шешу үшін жылдамырақ электрлік көлік зарядтағыштарын жасау үшін пайдалануды мақсат етеді. «Электр көліктері сияқты құрылғылар әлдеқайда жылдам зарядталады», - деді Оливер. «Тасымалданатын қуат пен жылдам зарядтауды қажет ететін кез келген нәрсе үшін галлий нитриді маңызды әлеуетке ие».

Галий нитридісонымен қатар әскери ұшақтар мен ұшқышсыз ұшақтардың радар жүйелерін жетілдіре алады, бұл оларға үлкен қашықтықтан нысаналар мен қауіптерді анықтауға және AI революциясын қол жетімді және тұрақты ету үшін өте маңызды деректер орталығы серверлерінің тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді.

Соны ескере отырыпгалий нитридікөптеген аспектілерде жақсы және біраз уақыт болды, неге микрочип өнеркәсібі кремний айналасында құруды жалғастыруда? Жауап, әдеттегідей, құнында жатыр: GaN чиптерін өндіру қымбатырақ және күрделірек. Шығындарды азайту және өндірісті масштабтау уақытты қажет етеді, бірақ АҚШ үкіметі осы дамып келе жатқан саланы іске қосу үшін белсенді жұмыс істеуде.

2024 жылдың ақпанында Америка Құрама Штаттары жартылай өткізгіштерді өндіруші GlobalFoundries компаниясына CHIPS және Ғылым туралы заң бойынша отандық чип өндірісін кеңейту үшін 1,5 миллиард доллар бөлді.

 Бұл қаражаттың бір бөлігі Вермонттағы өндіріс орнын жаңартуға жұмсалады, бұл оны жаппай өндіруге мүмкіндік береді.галий нитриді(GaN) жартылай өткізгіштер, қазіргі уақытта АҚШ-та іске асырылмаған мүмкіндік қаржыландыру туралы хабарландыруға сәйкес, бұл жартылай өткізгіштер электр көліктерінде, деректер орталықтарында, смартфондарда, электр желілерінде және басқа технологияларда қолданылады. 

Дегенмен, АҚШ өзінің өндірістік секторындағы қалыпты жұмысын қалпына келтіре алса да, өндірісGaNчиптер галлийдің тұрақты жеткізіліміне байланысты, оған қазіргі уақытта кепілдік берілмейді. 

Галлий сирек болмаса да, ол жер қыртысында мыспен салыстырылатын деңгейде болады, ол мыс сияқты үлкен, өндірілетін кен орындарында жоқ. Осыған қарамастан, галийдің аз мөлшерін алюминий мен мырыш бар кендерде табуға болады, бұл осы элементтерді өңдеу кезінде оны жинауға мүмкіндік береді. 

2022 жылға қарай әлемдегі галлийдің шамамен 90% Қытайда өндірілді. Сонымен қатар, АҚШ 1980 жылдардан бері галий өндірмейді, оның 53% -ы Қытайдан импортталады, ал қалғаны басқа елдерден алынады. 

2023 жылдың шілдесінде Қытай ұлттық қауіпсіздік мақсатында галий мен басқа материал, германий экспортын шектейтінін жариялады. 

Қытайдың ережелері галийдің АҚШ-қа экспортына тікелей тыйым салмайды, бірақ олар әлеуетті сатып алушылардан рұқсат алу үшін өтініш беруді және Қытай үкіметінен рұқсат алуды талап етеді. 

АҚШ-тың қорғаныс мердігерлері, әсіресе, егер олар Қытайдың «сенімсіз ұйымдар тізіміне» енгізілген болса, бас тартуға тап болады. Әзірге бұл шектеулер галлий бағасының өсуіне және көптеген чип өндірушілеріне тапсырыс беру уақытының ұзартылуына әкеліп соқтырды, бірақ Қытай болашақта бұл материалды бақылауды күшейтуді таңдауы мүмкін. 

АҚШ маңызды пайдалы қазбалар бойынша Қытайға қатты тәуелді болуымен байланысты тәуекелдерді бұрыннан мойындады - 2010 жылы Жапониямен дау кезінде Қытай сирек кездесетін металдардың экспортына уақытша тыйым салды. Қытай 2023 жылы шектеулерін жариялаған кезде, АҚШ жеткізу тізбегін күшейту әдістерін зерттеп жатыр. 

Ықтимал баламаларға Канада сияқты басқа елдерден галлийді импорттау (егер олар өндірісті жеткілікті түрде арттыра алса) және электронды қалдықтардан алынған материалды қайта өңдеу кіреді - бұл саладағы зерттеулерді АҚШ Қорғаныс министрлігінің Жетілдірілген зерттеу жобалары агенттігі қаржыландырады. 

Галийдің ішкі жеткізілімін құру да нұсқа болып табылады. 

Нидерландыда орналасқан Nyrstar компаниясы Теннессидегі мырыш зауыты АҚШ-тың ағымдағы сұранысының 80% қанағаттандыру үшін жеткілікті галлий өндіре алатынын, бірақ өңдеу қондырғысын салу 190 миллион долларға дейін тұратынын айтты. Қазіргі уақытта компания АҚШ үкіметімен кеңейтуді қаржыландыру үшін келіссөздер жүргізуде.

Потенциалды галлий көздеріне Техас штатындағы Раунд Топтағы кен орны да кіреді. 2021 жылы АҚШ-тың геологиялық қызметі бұл кен орнында шамамен 36 500 тонна галий бар деп есептеді - салыстыру үшін Қытай 2022 жылы 750 тонна галий өндірді. 

Әдетте, галий ізді мөлшерде кездеседі және өте дисперсті; дегенмен, 2024 жылдың наурыз айында American Critical Materials Corp. Монтана штатындағы Кутенай ұлттық орманында жоғары сапалы галийдің салыстырмалы түрде жоғары концентрациясы бар кен орнын тапты. 

Қазіргі уақытта Техас пен Монтанадағы галий әлі алынбаған, бірақ Айдахо ұлттық зертханасы мен American Critical Materials Corp. зерттеушілері осы материалды алудың экологиялық таза әдісін әзірлеу үшін бірлесіп жұмыс істеуде. 

Галлий АҚШ үшін микрочиптер технологиясын жақсартудың жалғыз мүмкіндігі емес - Қытай кейбір шектеусіз материалдарды пайдалана отырып, кейбір жағдайларда галлий негізіндегі чиптерден асып түсетін жетілдірілген чиптерді шығара алады. 

2024 жылдың қазан айында чип өндірушісі Wolfspeed АҚШ-та кремний карбиді (сонымен қатар SiC деп те белгілі) чип шығаратын ең үлкен зауытты салу үшін CHIPS заңы арқылы 750 миллион долларға дейін қаржы бөлді.галий нитридібірақ жоғары қуатты күн электр станциялары сияқты кейбір қолданбалар үшін қолайлы. 

Оливер Freethink-ке: «Галлий нитриді белгілі бір кернеу диапазонында өте жақсы жұмыс істейді, алкремний карбидібасқаларға қарағанда жақсырақ жұмыс істейді. Сондықтан бұл сіз істеп жатқан кернеу мен қуатқа байланысты ». 

Сондай-ақ АҚШ диапазоны 3,4 эВ-тан асатын кең жолақты жартылай өткізгіштерге негізделген микрочиптерді зерттеуді қаржыландырады. Бұл материалдарға алмаз, алюминий нитриді және бор нитриді жатады; олар қымбат және өңдеу қиын болса да, осы материалдардан жасалған чиптер бір күні қоршаған ортаны қорғау шығындары төмен тамаша жаңа функцияларды ұсына алады.

 «Егер сіз теңіздегі жел энергиясын құрлықтағы желіге тасымалдауға қатысты болуы мүмкін кернеу түрлері туралы айтатын болсаңыз,галий нитридісәйкес келмеуі мүмкін, өйткені ол бұл кернеуді көтере алмайды », - деп түсіндірді Оливер. «Алюминий нитриді сияқты материалдар кең диапазонға ие.»