Silikon Yarı İletken Çiplerin Gelecekteki Beklentilerini Keşfetmek

Yarı iletkenlerin teknolojideki rolünü ne tanımlar?

Malzemeler elektrik iletkenliklerine göre sınıflandırılabilir; akım iletkenlerde kolayca akar ancak yalıtkanlarda akmaz. Yarı iletkenler bu ikisinin arasında yer alır: Belirli koşullar altında elektriği iletebilirler, bu da onları bilgisayar alanında son derece yararlı kılar. Yarı iletkenleri mikroçiplerin temeli olarak kullanarak, cihazlar içindeki elektrik akışını kontrol edebilir ve bugün güvendiğimiz tüm olağanüstü işlevleri etkinleştirebiliriz.

Kuruluşundan bu yana,silikonÇip ve teknoloji endüstrisine hakim oldu ve “Silikon Vadisi” terimi ortaya çıktı. Ancak gelecekteki teknolojiler için en uygun malzeme olmayabilir. Bunu anlamak için çiplerin nasıl çalıştığını, mevcut teknolojik zorlukları ve gelecekte silikonun yerini alabilecek malzemeleri yeniden gözden geçirmeliyiz.

Mikroçipler girdileri bilgisayar diline nasıl çevirir?

Mikroçipler, klavye girişlerini ve yazılım programlarını bilgisayar diline (ikili kod) çeviren, transistör adı verilen küçük anahtarlarla doludur. Bir anahtar açık olduğunda, '1'i temsil eden akım akabilir; kapatıldığında '0'ı temsil ederek olamaz. Modern bilgisayarların yaptığı her şey sonuçta bu anahtarlara indirgeniyor.

Onlarca yıldır mikroçiplerdeki transistörlerin yoğunluğunu artırarak bilgi işlem gücünü geliştirdik. İlk mikroçip yalnızca bir transistör içeriyorken, bugün bu küçük anahtarların milyarlarcasını tırnak büyüklüğündeki çiplerin içine yerleştirebiliyoruz.

İlk mikroçip germanyumdan yapılmıştı ancak teknoloji endüstrisi bunu hemen fark etti.silikonçip üretimi için üstün bir malzemeydi. Silisyumun başlıca avantajları bolluğu, düşük maliyeti ve daha yüksek erime noktasıdır; bu da onun yüksek sıcaklıklarda daha iyi performans gösterdiği anlamına gelir. Ek olarak silikonun diğer malzemelerle "katkılanması" kolaydır, bu da mühendislerin silikonun iletkenliğini çeşitli şekillerde ayarlamasına olanak tanır.

Silikonun modern bilgisayarlarda karşılaştığı zorluklar nelerdir?

Transistörleri sürekli küçülterek daha hızlı, daha güçlü bilgisayarlar yaratmaya yönelik klasik stratejisilikoncipsler azalmaya başlıyor. Pensilvanya Üniversitesi'nde mühendislik profesörü olan Deep Jariwala, 2022'de The Wall Street Journal'a verdiği röportajda şunları söyledi: "Silikon bu kadar küçük boyutlarda çalışabilse de, bir hesaplama için gereken enerji verimliliği artıyor ve bu da onu son derece sürdürülemez hale getiriyor. Enerji açısından bakıldığında bu artık mantıklı değil.”

Çevreye daha fazla zarar vermeden teknolojimizi geliştirmeye devam etmek için bu sürdürülebilirlik konusunu ele almalıyız. Bu arayışta bazı araştırmacılar, galyum ve nitrojenden yapılan bir bileşik olan galyum nitrür (GaN) dahil olmak üzere, silikon dışındaki yarı iletken malzemelerden yapılmış çipleri yakından inceliyorlar.

Galyum nitrür neden yarı iletken bir malzeme olarak dikkat çekiyor?

Yarı iletkenlerin elektriksel iletkenliği, öncelikle "bant aralığı" olarak bilinen şeye bağlı olarak değişir. Protonlar ve nötronlar çekirdekte kümelenirken, elektronlar çekirdeğin etrafında döner. Bir malzemenin elektriği iletebilmesi için elektronların “değerlik bandından” “iletim bandına” atlayabilmesi gerekir. Bu geçiş için gereken minimum enerji, malzemenin bant aralığını tanımlar.

İletkenlerde bu iki bölge örtüşür, bu da bant aralığı oluşmamasına neden olur; elektronlar bu malzemelerin içinden serbestçe geçebilir. Yalıtkanlarda bant aralığı çok büyüktür, bu da elektronların önemli miktarda enerji uygulansa bile geçişini zorlaştırır. Yarı iletkenler, silikon gibi, orta bir zemini işgal eder;silikon1,12 elektron volt (eV) bant aralığına sahipken, galyum nitrür 3,4 eV bant aralığına sahiptir ve bu da onu "geniş bant aralıklı yarı iletken" (WBGS) olarak sınıflandırır.

WBGS malzemeleri iletkenlik spektrumunda yalıtkanlara daha yakındır, elektronların iki bant arasında hareket etmesi için daha fazla enerji gerektirir, bu da onları çok düşük voltaj uygulamaları için uygunsuz hale getirir. Ancak WBGS, WBGS'den daha yüksek voltajlarda, sıcaklıklarda ve enerji frekanslarında çalışabilir.silikon bazlıyarı iletkenler, bunları kullanan cihazların daha hızlı ve daha verimli çalışmasına olanak tanır.

Cambridge GaN Merkezi direktörü Rachel Oliver Freethink'e şunları söyledi: “Elinizi bir telefonun şarj cihazına koyarsanız sıcak hissedeceksiniz; bu, silikon çiplerin boşa harcadığı enerjidir. GaN şarj cihazları dokunulduğunda çok daha serin hissettiriyor; önemli ölçüde daha az enerji israfı oluyor."

Galyum ve bileşikleri, ışık yayan diyotlar, lazerler, askeri radar, uydular ve güneş pilleri de dahil olmak üzere teknoloji endüstrisinde onlarca yıldır kullanılmaktadır. Fakat,galyum nitrürşu anda teknolojiyi daha güçlü ve enerji açısından verimli hale getirmeyi ümit eden araştırmacıların odak noktasıdır.

Galyum nitrürün gelecek için ne gibi etkileri var?

Oliver'ın da belirttiği gibi, GaN telefon şarj cihazları halihazırda piyasada ve araştırmacılar bu materyalden daha hızlı elektrikli araç şarj cihazları geliştirmek için yararlanmayı amaçlıyor ve elektrikli araçlarla ilgili önemli bir tüketici endişesine çözüm buluyor. Oliver, "Elektrikli araçlar gibi cihazlar çok daha hızlı şarj olabiliyor" dedi. "Taşınabilir güç ve hızlı şarj gerektiren her şey için galyum nitrürün önemli bir potansiyeli var."

Galyum nitrüraynı zamanda askeri uçakların ve dronların radar sistemlerini de geliştirerek hedefleri ve tehditleri daha uzak mesafelerden tespit etmelerine olanak tanıyabilir ve yapay zeka devrimini uygun maliyetli ve sürdürülebilir kılmak için çok önemli olan veri merkezi sunucularının verimliliğini artırabilir.

Bunu göz önünde bulundurarakgalyum nitrürPek çok açıdan öne çıkıyor ve bir süredir ortalıkta dolaşıyor, mikroçip endüstrisi neden silikon etrafında inşa etmeye devam ediyor? Cevap her zaman olduğu gibi maliyette yatıyor: GaN çipleri daha pahalı ve üretimi daha karmaşık. Maliyetleri azaltmak ve üretimi ölçeklendirmek zaman alacak, ancak ABD hükümeti bu gelişen endüstriyi başlatmak için aktif olarak çalışıyor.

Şubat 2024'te Amerika Birleşik Devletleri, yerli çip üretimini genişletmek için CHIPS ve Bilim Yasası kapsamında yarı iletken üretim şirketi GlobalFoundries'e 1,5 milyar dolar ayırdı.

 Bu fonların bir kısmı Vermont'taki bir üretim tesisini geliştirmek ve seri üretime olanak sağlamak için kullanılacakgalyum nitrür(GaN) yarı iletkenler, şu anda ABD'de hayata geçirilmemiş bir yetenek. Finansman duyurusuna göre, bu yarı iletkenler elektrikli araçlarda, veri merkezlerinde, akıllı telefonlarda, elektrik şebekelerinde ve diğer teknolojilerde kullanılacak. 

Bununla birlikte, ABD imalat sektöründe normal operasyonları yeniden canlandırmayı başarsa bile, üretimGaNçiplerin üretimi, şu anda garanti edilmeyen istikrarlı bir galyum arzına bağlıdır. 

Galyum nadir olmasa da (yerkabuğunda bakırla karşılaştırılabilir seviyelerde bulunur), bakır gibi büyük, çıkarılabilecek yataklarda mevcut değildir. Bununla birlikte, alüminyum ve çinko içeren cevherlerde eser miktarda galyum bulunabilir ve bu, bu elementlerin işlenmesi sırasında toplanmasına olanak tanır. 

2022 yılı itibarıyla dünyadaki galyumun yaklaşık %90'ı Çin'de üretildi. Bu arada ABD 1980'lerden bu yana galyum üretmiyor; galyumunun %53'ü Çin'den, geri kalanı ise diğer ülkelerden ithal ediliyor. 

Temmuz 2023'te Çin, ulusal güvenlik nedenleriyle galyum ve diğer bir malzeme olan germanyum ihracatını kısıtlamaya başlayacağını duyurdu. 

Çin'in düzenlemeleri ABD'ye galyum ihracatını doğrudan yasaklamıyor ancak potansiyel alıcıların izin başvurusunda bulunmasını ve Çin hükümetinden onay almasını gerektiriyor. 

ABD'li savunma müteahhitlerinin, özellikle de Çin'in "güvenilmez varlıklar listesinde" yer almaları halinde, reddedilmeyle karşı karşıya kalmaları neredeyse kesin. Şu ana kadar bu kısıtlamalar, doğrudan bir kıtlık yerine çoğu çip üreticisi için galyum fiyatlarının artmasına ve sipariş teslimat sürelerinin uzamasına yol açmış gibi görünüyor; ancak Çin gelecekte bu malzeme üzerindeki kontrolünü sıkılaştırmayı seçebilir. 

ABD, kritik mineraller konusunda Çin'e aşırı bağımlılığının getirdiği risklerin uzun süredir farkındaydı; 2010 yılında Japonya ile yaşanan bir anlaşmazlık sırasında Çin, nadir toprak metallerinin ihracatını geçici olarak yasakladı. Çin 2023'te kısıtlamalarını açıkladığında ABD zaten tedarik zincirlerini güçlendirmenin yollarını araştırıyordu. 

Olası alternatifler arasında galyumun Kanada gibi diğer ülkelerden ithal edilmesi (eğer üretimi yeterince artırabilirlerse) ve malzemenin elektronik atıklardan geri dönüştürülmesi yer alıyor; bu alandaki araştırmalar ABD Savunma Bakanlığı'nın İleri Araştırma Projeleri Ajansı tarafından finanse ediliyor. 

Yurt içi galyum tedarikinin sağlanması da bir seçenektir. 

Hollanda merkezli bir şirket olan Nyrstar, Tennessee'deki çinko tesisinin mevcut ABD talebinin %80'ini karşılamaya yetecek kadar galyum çıkarabileceğini, ancak işleme tesisinin inşasının 190 milyon dolara kadar mal olacağını belirtti. Şirket şu anda genişleme finansmanı için ABD hükümetiyle pazarlık yapıyor.

Potansiyel galyum kaynakları arasında Round Top, Teksas'ta bulunan bir yatak da bulunmaktadır. 2021'de ABD Jeoloji Araştırması, bu yatağın yaklaşık 36.500 ton galyum içerdiğini tahmin etti; buna karşılık Çin, 2022'de 750 ton galyum üretti. 

Tipik olarak galyum eser miktarlarda oluşur ve aşırı derecede dağılmıştır; ancak Mart 2024'te American Critical Material Corp., Montana'daki Kootenai Ulusal Ormanı'nda nispeten yüksek konsantrasyonda yüksek kaliteli galyum içeren bir yatak keşfetti. 

Şu anda Teksas ve Montana'dan galyum henüz çıkarılmadı, ancak Idaho Ulusal Laboratuvarı ve American Critical Materials Corp.'tan araştırmacılar bu materyali elde etmek için çevre dostu bir yöntem geliştirmek üzere işbirliği yapıyor. 

ABD'nin mikroçip teknolojisini geliştirmesi için tek seçenek galyum değil; Çin, bazı kısıtlamasız malzemeler kullanarak daha gelişmiş çipler üretebilir ve bu bazı durumlarda galyum bazlı çiplerden daha iyi performans gösterebilir. 

Çip üreticisi Wolfspeed, Ekim 2024'te ABD'deki en büyük silisyum karbür (SiC olarak da bilinir) çip üretim tesisini inşa etmek için CHIPS Yasası aracılığıyla 750 milyon dolara kadar finansman sağladı.galyum nitrürancak yüksek güçlü güneş enerjisi santralleri gibi belirli uygulamalar için tercih edilir. 

Oliver Freethink'e şunları söyledi: "Galyum nitrür belirli voltaj aralıklarında çok iyi performans gösteriyor, ancaksilisyum karbürdiğerlerinde daha iyi performans gösterir. Yani bu, uğraştığınız voltaja ve güce bağlıdır. 

ABD ayrıca, bant aralığı 3,4 eV'den büyük olan geniş bant aralıklı yarı iletkenlere dayalı mikroçiplere yönelik araştırmaları da finanse ediyor. Bu malzemeler arasında elmas, alüminyum nitrür ve bor nitrür bulunur; Pahalı ve işlenmesi zor olmasına rağmen, bu malzemelerden yapılan çipler bir gün daha düşük çevresel maliyetlerle dikkate değer yeni işlevler sunabilir.

 "Eğer açık deniz rüzgar enerjisinin karadaki şebekeye iletilmesinde söz konusu olabilecek voltaj türlerinden bahsediyorsanız,galyum nitrürOliver, bu gerilimi kaldıramayacağı için uygun olmayabilir" diye açıkladı. "Geniş bant aralığı olan alüminyum nitrür gibi malzemeler bunu yapabilir."