بررسی چشم اندازهای آینده تراشه های نیمه هادی سیلیکونی

چه چیزی نقش نیمه هادی ها را در فناوری مشخص می کند؟

مواد را می توان بر اساس هدایت الکتریکی آنها طبقه بندی کرد - جریان به راحتی در هادی ها جریان دارد اما در عایق ها نمی تواند. نیمه هادی ها در این بین قرار می گیرند: آنها می توانند الکتریسیته را تحت شرایط خاص هدایت کنند و آنها را در محاسبات بسیار مفید می کند. با استفاده از نیمه هادی ها به عنوان پایه ای برای ریزتراشه ها، می توانیم جریان الکتریسیته درون دستگاه ها را کنترل کنیم و تمام عملکردهای قابل توجهی را که امروزه به آنها تکیه می کنیم، امکان پذیر کنیم.

از ابتدای پیدایش آنها،سیلیکونبر صنعت تراشه و فناوری تسلط یافته است و به اصطلاح "سیلیکون ولی" منجر شده است. با این حال، ممکن است مناسب ترین ماده برای فناوری های آینده نباشد. برای درک این موضوع، باید نحوه عملکرد تراشه‌ها، چالش‌های تکنولوژیکی کنونی و موادی که ممکن است در آینده جایگزین سیلیکون شوند را دوباره بررسی کنیم.

ریزتراشه ها چگونه ورودی ها را به زبان کامپیوتر ترجمه می کنند؟

ریزتراشه‌ها با سوئیچ‌های کوچکی به نام ترانزیستور پر شده‌اند که ورودی‌های صفحه کلید و برنامه‌های نرم‌افزاری را به زبان کامپیوتر – کد باینری – ترجمه می‌کنند. هنگامی که یک سوئیچ باز است، جریان می تواند جریان یابد که نشان دهنده یک '1' است. وقتی بسته است، نمی تواند نشان دهنده یک '0' باشد. هر کاری که کامپیوترهای مدرن انجام می دهند در نهایت به این سوئیچ ها خلاصه می شود.

برای چندین دهه، ما قدرت محاسباتی را با افزایش چگالی ترانزیستورها روی ریزتراشه ها بهبود بخشیده ایم. در حالی که اولین ریزتراشه حاوی تنها یک ترانزیستور بود، امروزه می‌توانیم میلیاردها سوئیچ کوچک را در تراشه‌هایی به اندازه یک ناخن قرار دهیم.

اولین ریزتراشه از ژرمانیوم ساخته شد، اما صنعت فناوری به سرعت متوجه این موضوع شدسیلیکونیک ماده برتر برای تولید تراشه بود. مزایای اصلی سیلیکون شامل فراوانی، هزینه کم و نقطه ذوب بالاتر است که به این معنی است که در دماهای بالا عملکرد بهتری دارد. علاوه بر این، سیلیکون به راحتی با مواد دیگر "دوپ" می شود و به مهندسان این امکان را می دهد تا رسانایی آن را به روش های مختلف تنظیم کنند.

سیلیکون در محاسبات مدرن با چه چالش هایی مواجه است؟

استراتژی کلاسیک ایجاد کامپیوترهای سریعتر و قدرتمندتر با کوچک کردن مداوم ترانزیستورهاسیلیکونچیپس شروع به تزلزل کرده است. دیپ جاریوالا، استاد مهندسی در دانشگاه پنسیلوانیا، در مصاحبه ای در سال 2022 با وال استریت ژورنال اظهار داشت: «در حالی که سیلیکون می تواند در چنین ابعاد کوچکی کار کند، بازده انرژی مورد نیاز برای یک محاسبات در حال افزایش است و آن را به شدت ناپایدار می کند. از نقطه نظر انرژی، دیگر معنی ندارد.»

برای ادامه بهبود فناوری خود بدون آسیب بیشتر به محیط زیست، باید به این موضوع پایداری بپردازیم. در این پیگیری، برخی از محققان به دقت تراشه های ساخته شده از مواد نیمه هادی غیر از سیلیکون، از جمله نیترید گالیوم (GaN)، ترکیبی ساخته شده از گالیم و نیتروژن را بررسی می کنند.

چرا نیترید گالیوم به عنوان یک ماده نیمه هادی مورد توجه قرار گرفته است؟

رسانایی الکتریکی نیمه هادی ها در درجه اول به دلیل آنچه به عنوان "گپ باند" شناخته می شود، متفاوت است. پروتون ها و نوترون ها در هسته جمع می شوند، در حالی که الکترون ها به دور آن می چرخند. برای اینکه ماده ای بتواند الکتریسیته را رسانا کند، الکترون ها باید بتوانند از «باند ظرفیت» به «باند رسانایی» بپرند. حداقل انرژی مورد نیاز برای این انتقال، فاصله باند ماده را مشخص می کند.

در رساناها، این دو ناحیه با هم همپوشانی دارند و در نتیجه هیچ شکاف باندی ایجاد نمی‌شود - الکترون‌ها می‌توانند آزادانه از این مواد عبور کنند. در عایق ها، فاصله باند بسیار بزرگ است و عبور الکترون ها را حتی با انرژی قابل توجهی که به کار می رود، دشوار می کند. نیمه هادی ها، مانند سیلیکون، حد وسط را اشغال می کنند.سیلیکوندارای شکاف باند 1.12 الکترون ولت (eV) است، در حالی که نیترید گالیوم دارای شکاف باند 3.4 eV است که آن را به عنوان "نیمه هادی باند گپ گسترده" (WBGS) طبقه بندی می کند.

مواد WBGS در طیف رسانایی به عایق‌ها نزدیک‌تر هستند و به انرژی بیشتری برای حرکت الکترون‌ها بین دو باند نیاز دارند و آنها را برای کاربردهای بسیار کم ولتاژ نامناسب می‌سازد. با این حال، WBGS می‌تواند در ولتاژها، دماها و فرکانس‌های انرژی بالاتر از آن عمل کندبر پایه سیلیکوننیمه هادی ها، به دستگاه هایی که از آنها استفاده می کنند اجازه می دهند سریع تر و کارآمدتر کار کنند.

ریچل الیور، مدیر مرکز GaN کمبریج، به Freethink گفت: «اگر دست خود را روی شارژر تلفن بگذارید، احساس گرما می‌کنید. این انرژی هدر رفته توسط تراشه های سیلیکونی است. شارژرهای GaN در لمس بسیار خنک‌تر احساس می‌شوند—انرژی به میزان قابل توجهی هدر می‌رود.

گالیوم و ترکیبات آن برای دهه‌ها در صنعت فناوری از جمله در دیودهای ساطع کننده نور، لیزرها، رادارهای نظامی، ماهواره‌ها و سلول‌های خورشیدی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. با این حال،نیترید گالیومدر حال حاضر کانون توجه محققانی است که امیدوارند فناوری را قدرتمندتر و انرژی کارآمدتر کنند.

نیترید گالیوم چه پیامدهایی برای آینده دارد؟

همانطور که الیور اشاره کرد، شارژرهای تلفن GaN در حال حاضر در بازار هستند، و محققان قصد دارند از این ماده برای توسعه شارژرهای خودروهای الکتریکی سریع‌تر استفاده کنند و به نگرانی مصرف کنندگان در مورد وسایل نقلیه الکتریکی توجه کنند. اولیور گفت: «دستگاه‌هایی مانند وسایل نقلیه الکتریکی می‌توانند بسیار سریع‌تر شارژ شوند. برای هر چیزی که به برق قابل حمل و شارژ سریع نیاز دارد، نیترید گالیوم پتانسیل قابل توجهی دارد.

نیترید گالیومهمچنین می تواند سیستم های راداری هواپیماهای نظامی و پهپادها را تقویت کند و به آنها امکان شناسایی اهداف و تهدیدات را از فواصل دورتر و بهبود کارایی سرورهای مرکز داده را بدهد که برای مقرون به صرفه و پایدار کردن انقلاب هوش مصنوعی بسیار مهم است.

با توجه به اینکهنیترید گالیومدر بسیاری از جنبه ها برتر است و مدتی است که وجود داشته است، چرا صنعت ریزتراشه به ساخت حول محور سیلیکون ادامه می دهد؟ پاسخ، مثل همیشه، در هزینه نهفته است: تراشه‌های GaN گران‌تر و پیچیده‌تر هستند. کاهش هزینه ها و افزایش مقیاس تولید زمان می برد، اما دولت ایالات متحده فعالانه در تلاش است تا این صنعت در حال ظهور را راه اندازی کند.

در فوریه 2024، ایالات متحده 1.5 میلیارد دلار به شرکت تولید نیمه هادی GlobalFoundries تحت قانون CHIPS و Science اختصاص داد تا تولید تراشه داخلی را توسعه دهد.

 بخشی از این بودجه برای ارتقاء یک کارخانه تولیدی در ورمونت استفاده خواهد شد و آن را قادر به تولید انبوه می‌کند.نیترید گالیومنیمه هادی های (GaN)، قابلیتی که در حال حاضر در ایالات متحده محقق نشده است، طبق اعلام بودجه، این نیمه هادی ها در وسایل نقلیه الکتریکی، مراکز داده، تلفن های هوشمند، شبکه های برق و سایر فناوری ها مورد استفاده قرار خواهند گرفت. 

با این حال، حتی اگر ایالات متحده بتواند عملیات عادی خود را در سراسر بخش تولید خود بازگرداند، تولیدGaNتراشه ها مشروط به عرضه پایدار گالیوم است که در حال حاضر تضمین نشده است. 

در حالی که گالیوم کمیاب نیست - در پوسته زمین در سطوحی قابل مقایسه با مس وجود دارد - در ذخایر بزرگ و قابل معادن مانند مس وجود ندارد. با این وجود، مقادیر کمی از گالیوم را می توان در سنگ معدن های حاوی آلومینیوم و روی یافت که امکان جمع آوری آن را در طول پردازش این عناصر فراهم می کند. 

تا سال 2022، تقریباً 90 درصد گالیوم جهان در چین تولید می شد. در همین حال، ایالات متحده از دهه 1980 گالیوم تولید نکرده است، به طوری که 53 درصد گالیوم آن از چین و بقیه از کشورهای دیگر تامین می شود. 

در ژوئیه 2023، چین اعلام کرد که به دلایل امنیت ملی، صادرات گالیوم و ماده دیگری، ژرمانیوم را محدود می کند. 

مقررات چین صادرات گالیوم به ایالات متحده را به طور کامل ممنوع نمی کند، اما خریداران بالقوه را ملزم می کند تا برای مجوزها درخواست دهند و از دولت چین تأییدیه بگیرند. 

پیمانکاران دفاعی ایالات متحده تقریباً مطمئناً با رد شدن مواجه خواهند شد، به خصوص اگر در فهرست "فهرست نهادهای غیرقابل اعتماد چین" قرار گیرند. تا کنون، به نظر می‌رسد این محدودیت‌ها به‌جای کمبود کامل، منجر به افزایش قیمت گالیوم و افزایش زمان تحویل سفارش برای اکثر تولیدکنندگان تراشه شده است، اگرچه چین ممکن است در آینده کنترل خود را بر این ماده تشدید کند. 

ایالات متحده مدت‌هاست که خطرات مرتبط با اتکای شدید خود به چین برای مواد معدنی حیاتی را تشخیص داده است - طی مناقشه با ژاپن در سال 2010، چین به طور موقت صادرات فلزات کمیاب خاکی را ممنوع کرد. زمانی که چین محدودیت های خود را در سال 2023 اعلام کرد، ایالات متحده در حال بررسی روش هایی برای تقویت زنجیره تامین خود بود. 

جایگزین‌های احتمالی شامل واردات گالیوم از کشورهای دیگر مانند کانادا (اگر آنها بتوانند به اندازه کافی تولید را افزایش دهند) و بازیافت مواد از زباله‌های الکترونیکی هستند – تحقیقات در این زمینه توسط آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته وزارت دفاع ایالات متحده تامین مالی می‌شود. 

ایجاد عرضه داخلی گالیوم نیز یک گزینه است. 

Nyrstar، یک شرکت مستقر در هلند، نشان داد که کارخانه روی آن در تنسی می تواند به اندازه کافی گالیوم استخراج کند تا 80 درصد تقاضای فعلی ایالات متحده را برآورده کند، اما ساخت کارخانه فرآوری تا 190 میلیون دلار هزینه خواهد داشت. این شرکت در حال حاضر در حال مذاکره با دولت ایالات متحده برای توسعه بودجه است.

منابع بالقوه گالیوم نیز شامل ذخایری در راند تاپ، تگزاس است. در سال 2021، سازمان زمین شناسی ایالات متحده تخمین زد که این ذخیره تقریباً 36500 تن گالیوم دارد - در مقایسه، چین در سال 2022 750 تن گالیوم تولید کرد. 

به طور معمول، گالیوم در مقادیر کمی وجود دارد و بسیار پراکنده است. با این حال، در مارس 2024، American Critical Materials Corp. یک ذخایر با غلظت نسبتاً بالایی از گالیوم با کیفیت بالا در جنگل ملی Kootenai در مونتانا کشف کرد. 

در حال حاضر، گالیوم از تگزاس و مونتانا هنوز استخراج نشده است، اما محققان آزمایشگاه ملی آیداهو و شرکت مواد حیاتی آمریکا در حال همکاری برای توسعه روشی سازگار با محیط زیست برای به دست آوردن این ماده هستند. 

گالیوم تنها گزینه ایالات متحده برای بهبود فناوری ریزتراشه نیست - چین می‌تواند تراشه‌های پیشرفته‌تری را با استفاده از برخی مواد بدون محدودیت تولید کند که در برخی موارد ممکن است از تراشه‌های مبتنی بر گالیوم بهتر عمل کند. 

در اکتبر 2024، سازنده تراشه Wolfspeed تا 750 میلیون دلار بودجه از طریق قانون CHIPS برای ساخت بزرگترین مرکز تولید تراشه کاربید سیلیکون (همچنین به عنوان SiC) در ایالات متحده تامین کرد. این نوع تراشه گران‌تر ازنیترید گالیوماما برای کاربردهای خاص مانند نیروگاه های خورشیدی پرقدرت ارجح است. 

الیور به Freethink گفت: «نیترید گالیم در محدوده‌های ولتاژ خاصی عملکرد بسیار خوبی دارد، در حالی کهکاربید سیلیکوندر دیگران بهتر عمل می کند بنابراین بستگی به ولتاژ و توانی دارد که با آن سروکار دارید." 

ایالات متحده همچنین تحقیقاتی را در مورد ریزتراشه‌های مبتنی بر نیمه‌هادی‌های باندگپ گسترده، که گپ باندی بیشتر از 3.4 eV دارند، تأمین می‌کند. این مواد عبارتند از الماس، نیترید آلومینیوم و نیترید بور. اگرچه پردازش آنها پرهزینه و چالش برانگیز است، تراشه های ساخته شده از این مواد ممکن است روزی عملکردهای جدید قابل توجهی را با هزینه های زیست محیطی کمتر ارائه دهند.

 "اگر در مورد انواع ولتاژهایی صحبت می کنید که ممکن است در انتقال نیروی باد دریایی به شبکه خشکی دخیل باشند،نیترید گالیومالیور توضیح داد که ممکن است مناسب نباشد، زیرا نمی تواند آن ولتاژ را تحمل کند. موادی مانند نیترید آلومینیوم که دارای شکاف پهن هستند، می توانند.