சிலிக்கான் செமிகண்டக்டர் சில்லுகளின் எதிர்கால வாய்ப்புகளை ஆராய்தல்

தொழில்நுட்பத்தில் குறைக்கடத்திகளின் பங்கை எது வரையறுக்கிறது?

பொருட்களை அவற்றின் மின் கடத்துத்திறன் அடிப்படையில் வகைப்படுத்தலாம்-கடத்திகளில் மின்னோட்டம் எளிதில் பாய்கிறது ஆனால் மின்கடத்திகளில் முடியாது. செமிகண்டக்டர்கள் இடையில் விழுகின்றன: அவை குறிப்பிட்ட நிலைமைகளின் கீழ் மின்சாரத்தை கடத்த முடியும், இதனால் அவை கணினியில் மிகவும் பயனுள்ளதாக இருக்கும். மைக்ரோசிப்களுக்கான அடித்தளமாக குறைக்கடத்திகளைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம், இன்று நாம் நம்பியிருக்கும் அனைத்து குறிப்பிடத்தக்க செயல்பாடுகளையும் செயல்படுத்துவதன் மூலம் சாதனங்களுக்குள் மின்சாரத்தின் ஓட்டத்தை கட்டுப்படுத்தலாம்.

அவர்களின் தொடக்கத்திலிருந்து,சிலிக்கான்சிப் மற்றும் தொழில்நுட்பத் துறையில் ஆதிக்கம் செலுத்தி, "சிலிகான் பள்ளத்தாக்கு" என்ற சொல்லுக்கு வழிவகுத்தது. இருப்பினும், எதிர்கால தொழில்நுட்பங்களுக்கு இது மிகவும் பொருத்தமான பொருளாக இருக்காது. இதைப் புரிந்து கொள்ள, சில்லுகள் எவ்வாறு செயல்படுகின்றன, தற்போதைய தொழில்நுட்ப சவால்கள் மற்றும் எதிர்காலத்தில் சிலிக்கானை மாற்றக்கூடிய பொருட்கள் ஆகியவற்றை மறுபரிசீலனை செய்ய வேண்டும்.

மைக்ரோசிப்கள் உள்ளீடுகளை கணினி மொழியில் எவ்வாறு மொழிபெயர்க்கிறது?

மைக்ரோசிப்கள் டிரான்சிஸ்டர்கள் எனப்படும் சிறிய சுவிட்சுகளால் நிரப்பப்படுகின்றன, அவை விசைப்பலகை உள்ளீடுகள் மற்றும் மென்பொருள் நிரல்களை கணினி மொழியில் மொழிபெயர்க்கின்றன - பைனரி குறியீடு. ஒரு சுவிட்ச் திறந்திருக்கும் போது, ​​'1' ஐக் குறிக்கும் மின்னோட்டம் பாயலாம்; மூடப்படும் போது, ​​'0' ஐக் குறிக்க முடியாது. நவீன கணினிகள் செய்யும் அனைத்தும் இறுதியில் இந்த சுவிட்சுகளில் கொதிக்கின்றன.

பல தசாப்தங்களாக, மைக்ரோசிப்களில் டிரான்சிஸ்டர்களின் அடர்த்தியை அதிகரிப்பதன் மூலம் கணினி ஆற்றலை மேம்படுத்தியுள்ளோம். முதல் மைக்ரோசிப்பில் ஒரே ஒரு டிரான்சிஸ்டர் மட்டுமே இருந்தபோதிலும், இன்று கோடிக்கணக்கான இந்த சிறிய சுவிட்சுகளை விரல் நகத்தின் அளவு சில்லுகளில் இணைக்க முடியும்.

முதல் மைக்ரோசிப் ஜெர்மானியத்தால் ஆனது, ஆனால் தொழில்நுட்பத் துறை அதை விரைவாக உணர்ந்ததுசிலிக்கான்சிப் உற்பத்திக்கான சிறந்த பொருளாக இருந்தது. சிலிக்கானின் முதன்மை நன்மைகள் அதன் மிகுதி, குறைந்த விலை மற்றும் அதிக உருகுநிலை ஆகியவை அடங்கும், அதாவது உயர்ந்த வெப்பநிலையில் இது சிறப்பாக செயல்படுகிறது. கூடுதலாக, சிலிக்கான் மற்ற பொருட்களுடன் "டோப்" செய்ய எளிதானது, பொறியாளர்கள் அதன் கடத்துத்திறனை பல்வேறு வழிகளில் சரிசெய்ய அனுமதிக்கிறது.

நவீன கணினியில் சிலிக்கான் என்ன சவால்களை எதிர்கொள்கிறது?

டிரான்சிஸ்டர்களை தொடர்ந்து சுருக்கி வேகமான, அதிக சக்திவாய்ந்த கணினிகளை உருவாக்கும் உன்னதமான உத்திசிலிக்கான்சிப்ஸ் தடுமாறத் தொடங்குகிறது. பென்சில்வேனியா பல்கலைக்கழகத்தின் பொறியியல் பேராசிரியரான டீப் ஜரிவாலா, தி வால் ஸ்ட்ரீட் ஜர்னலுக்கு 2022 இல் அளித்த பேட்டியில், “சிலிக்கான் இவ்வளவு சிறிய பரிமாணங்களில் வேலை செய்ய முடியும் என்றாலும், கணக்கீட்டிற்குத் தேவையான ஆற்றல் திறன் அதிகரித்து, அதை மிகவும் தாங்க முடியாததாக ஆக்குகிறது. ஆற்றல் நிலைப்பாட்டில் இருந்து, அது இனி அர்த்தமற்றது.

சுற்றுச்சூழலுக்கு மேலும் தீங்கு விளைவிக்காமல் நமது தொழில்நுட்பத்தை தொடர்ந்து மேம்படுத்த, இந்த நிலைத்தன்மை சிக்கலை நாம் தீர்க்க வேண்டும். இந்த நோக்கத்தில், சில ஆராய்ச்சியாளர்கள் சிலிக்கான் அல்லாத குறைக்கடத்தி பொருட்களால் செய்யப்பட்ட சில்லுகளை உன்னிப்பாக ஆய்வு செய்கின்றனர், இதில் காலியம் நைட்ரைடு (GaN), காலியம் மற்றும் நைட்ரஜனில் இருந்து தயாரிக்கப்படும் கலவை அடங்கும்.

காலியம் நைட்ரைடு ஒரு குறைக்கடத்தி பொருளாக ஏன் கவனம் பெறுகிறது?

குறைக்கடத்திகளின் மின் கடத்துத்திறன் மாறுபடும், முதன்மையாக "பேண்ட்கேப்" என அறியப்படுகிறது. நியூக்ளியஸில் புரோட்டான்கள் மற்றும் நியூட்ரான்கள் கொத்து, எலக்ட்ரான்கள் அதைச் சுற்றி வருகின்றன. ஒரு பொருள் மின்சாரத்தை கடத்துவதற்கு, எலக்ட்ரான்கள் "வேலன்ஸ் பேண்டில்" இருந்து "கண்டக்ஷன் பேண்ட்" க்கு செல்ல முடியும். இந்த மாற்றத்திற்கு தேவையான குறைந்தபட்ச ஆற்றல் பொருளின் பேண்ட்கேப்பை வரையறுக்கிறது.

கடத்திகளில், இந்த இரண்டு பகுதிகளும் ஒன்றுடன் ஒன்று இணைகின்றன, இதன் விளைவாக பேண்ட்கேப் இல்லை - எலக்ட்ரான்கள் இந்த பொருட்களின் வழியாக சுதந்திரமாக செல்ல முடியும். இன்சுலேட்டர்களில், பேண்ட்கேப் மிகப் பெரியது, குறிப்பிடத்தக்க ஆற்றல் பயன்படுத்தப்பட்டாலும் எலக்ட்ரான்கள் பயணிப்பதை கடினமாக்குகிறது. சிலிக்கான் போன்ற செமிகண்டக்டர்கள் ஒரு நடுத்தர நிலத்தை ஆக்கிரமிக்கின்றன;சிலிக்கான்1.12 எலக்ட்ரான் வோல்ட் (eV) பேண்ட்கேப்பைக் கொண்டுள்ளது, அதே சமயம் காலியம் நைட்ரைடு 3.4 eV இன் பேண்ட்கேப்பைக் கொண்டுள்ளது, இது ஒரு "வைட் பேண்ட்கேப் செமிகண்டக்டர்" (WBGS) என வகைப்படுத்துகிறது.

WBGS பொருட்கள் கடத்துத்திறன் ஸ்பெக்ட்ரமில் உள்ள இன்சுலேட்டர்களுக்கு நெருக்கமாக உள்ளன, இரண்டு பட்டைகளுக்கு இடையில் எலக்ட்ரான்கள் செல்ல அதிக ஆற்றல் தேவைப்படுகிறது, இதனால் அவை மிகக் குறைந்த மின்னழுத்த பயன்பாடுகளுக்கு பொருந்தாது. இருப்பினும், WBGS அதிக மின்னழுத்தங்கள், வெப்பநிலைகள் மற்றும் ஆற்றல் அதிர்வெண்களில் செயல்பட முடியும்சிலிக்கான் அடிப்படையிலானதுகுறைக்கடத்திகள், அவற்றைப் பயன்படுத்தும் சாதனங்களை வேகமாகவும் திறமையாகவும் இயங்க அனுமதிக்கிறது.

கேம்பிரிட்ஜ் கேஎன் மையத்தின் இயக்குனர் ரேச்சல் ஆலிவர் ஃப்ரீதிங்கிடம், “ஃபோன் சார்ஜரில் கையை வைத்தால், அது சூடாக இருக்கும்; அது சிலிக்கான் சில்லுகளால் வீணாகும் ஆற்றல். GaN சார்ஜர்கள் தொடுவதற்கு மிகவும் குளிர்ச்சியாக உணர்கின்றன-கணிசமான அளவு வீணான ஆற்றல் உள்ளது."

ஒளி-உமிழும் டையோட்கள், லேசர்கள், இராணுவ ரேடார், செயற்கைக்கோள்கள் மற்றும் சூரிய மின்கலங்கள் உட்பட பல தசாப்தங்களாக தொழில்நுட்பத் துறையில் காலியம் மற்றும் அதன் கலவைகள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. எனினும்,காலியம் நைட்ரைடுதற்போது தொழில்நுட்பத்தை மிகவும் சக்திவாய்ந்ததாகவும் ஆற்றல் திறன் கொண்டதாகவும் மாற்றும் ஆராய்ச்சியாளர்களின் மையமாக உள்ளது.

கேலியம் நைட்ரைடு எதிர்காலத்தில் என்ன தாக்கங்களை ஏற்படுத்துகிறது?

ஆலிவர் குறிப்பிட்டுள்ளபடி, GaN ஃபோன் சார்ஜர்கள் ஏற்கனவே சந்தையில் உள்ளன, மேலும் ஆராய்ச்சியாளர்கள் இந்த பொருளைப் பயன்படுத்தி வேகமான மின்சார வாகன சார்ஜர்களை உருவாக்குவதை நோக்கமாகக் கொண்டுள்ளனர். "மின்சார வாகனங்கள் போன்ற சாதனங்கள் மிக விரைவாக சார்ஜ் செய்ய முடியும்," ஆலிவர் கூறினார். "கையடக்க சக்தி மற்றும் விரைவான சார்ஜிங் தேவைப்படும் எதற்கும், காலியம் நைட்ரைடு குறிப்பிடத்தக்க ஆற்றலைக் கொண்டுள்ளது."

காலியம் நைட்ரைடுஇராணுவ விமானங்கள் மற்றும் ட்ரோன்களின் ரேடார் அமைப்புகளை மேம்படுத்தவும், அதிக தொலைவில் இருந்து இலக்குகள் மற்றும் அச்சுறுத்தல்களை அடையாளம் காணவும், தரவு மைய சேவையகங்களின் செயல்திறனை மேம்படுத்தவும் அனுமதிக்கிறது, இது AI புரட்சியை மலிவு மற்றும் நிலையானதாக மாற்றுவதற்கு முக்கியமானது.

என்று கொடுக்கப்பட்டதுகாலியம் நைட்ரைடுபல அம்சங்களில் சிறந்து விளங்குகிறது மற்றும் சில காலமாக உள்ளது, மைக்ரோசிப் தொழில் ஏன் சிலிக்கானைச் சுற்றி தொடர்ந்து உருவாக்கப்படுகிறது? பதில், எப்பொழுதும், செலவில் உள்ளது: GaN சில்லுகள் அதிக விலை கொண்டவை மற்றும் தயாரிப்பதில் சிக்கலானவை. செலவுகளைக் குறைப்பதற்கும் உற்பத்தியை அளவிடுவதற்கும் நேரம் எடுக்கும், ஆனால் அமெரிக்க அரசாங்கம் இந்த வளர்ந்து வரும் தொழில்துறையை கிக்ஸ்டார்ட் செய்ய தீவிரமாக செயல்பட்டு வருகிறது.

பிப்ரவரி 2024 இல், உள்நாட்டு சிப் உற்பத்தியை விரிவுபடுத்துவதற்காக சிப்ஸ் மற்றும் அறிவியல் சட்டத்தின் கீழ் செமிகண்டக்டர் உற்பத்தி நிறுவனமான குளோபல்ஃபவுண்டரிஸுக்கு அமெரிக்கா $1.5 பில்லியன் ஒதுக்கியது.

 இந்த நிதியின் ஒரு பகுதி வெர்மான்ட்டில் உள்ள ஒரு உற்பத்தி வசதியை மேம்படுத்த பயன்படுத்தப்படும், இது பெருமளவில் உற்பத்தி செய்ய உதவுகிறது.காலியம் நைட்ரைடு(GaN) குறைக்கடத்திகள், நிதி அறிவிப்பின்படி தற்போது அமெரிக்காவில் உணரப்படாத திறன், இந்த குறைக்கடத்திகள் மின்சார வாகனங்கள், தரவு மையங்கள், ஸ்மார்ட்போன்கள், மின் கட்டங்கள் மற்றும் பிற தொழில்நுட்பங்களில் பயன்படுத்தப்படும். 

எவ்வாறாயினும், அமெரிக்கா தனது உற்பத்தித் துறை முழுவதும் இயல்பான செயல்பாடுகளை மீட்டெடுக்க நிர்வகித்தாலும், உற்பத்திGaNசில்லுகள் காலியம் நிலையான விநியோகத்தில் தொடர்ந்து உள்ளது, இது தற்போது உத்தரவாதம் இல்லை. 

கேலியம் அரிதானது அல்ல என்றாலும் - இது பூமியின் மேலோட்டத்தில் தாமிரத்துடன் ஒப்பிடக்கூடிய அளவில் உள்ளது - இது தாமிரம் போன்ற பெரிய, சுரங்கப் படிவுகளில் இல்லை. ஆயினும்கூட, அலுமினியம் மற்றும் துத்தநாகம் கொண்ட தாதுக்களில் காலியத்தின் சுவடு அளவுகள் காணப்படுகின்றன, இது இந்த தனிமங்களின் செயலாக்கத்தின் போது அதை சேகரிக்க அனுமதிக்கிறது. 

2022 ஆம் ஆண்டு நிலவரப்படி, உலகின் சுமார் 90% கேலியம் சீனாவில் உற்பத்தி செய்யப்பட்டது. இதற்கிடையில், அமெரிக்கா 1980 களில் இருந்து காலியம் உற்பத்தி செய்யவில்லை, அதன் 53% கேலியம் சீனாவிலிருந்து இறக்குமதி செய்யப்பட்டது மற்றும் மீதமுள்ளவை பிற நாடுகளில் இருந்து பெறப்படுகின்றன. 

ஜூலை 2023 இல், சீனா தேசிய பாதுகாப்பு காரணங்களுக்காக காலியம் மற்றும் மற்றொரு பொருளான ஜெர்மானியத்தின் ஏற்றுமதியை கட்டுப்படுத்தத் தொடங்குவதாக அறிவித்தது. 

சீனாவின் விதிமுறைகள் அமெரிக்காவிற்கு காலியம் ஏற்றுமதியை முற்றிலும் தடை செய்யவில்லை, ஆனால் சாத்தியமான வாங்குபவர்கள் அனுமதிகளுக்கு விண்ணப்பித்து சீன அரசாங்கத்திடம் இருந்து ஒப்புதல் பெற வேண்டும். 

அமெரிக்க பாதுகாப்பு ஒப்பந்ததாரர்கள் நிராகரிப்புகளை எதிர்கொள்வது கிட்டத்தட்ட உறுதியானது, குறிப்பாக அவர்கள் சீனாவின் "நம்பமுடியாத நிறுவன பட்டியலில்" பட்டியலிடப்பட்டிருந்தால். இதுவரை, இந்தக் கட்டுப்பாடுகள் கேலியம் விலையை அதிகரித்தது மற்றும் பெரும்பாலான சிப் உற்பத்தியாளர்களுக்கு ஆர்டர் டெலிவரி நேரங்களை நீட்டித்துள்ளது. 

முக்கியமான தாதுக்களுக்காக சீனாவை அதிக அளவில் நம்பியிருப்பதால் ஏற்படும் அபாயங்களை அமெரிக்கா நீண்டகாலமாக அங்கீகரித்துள்ளது - 2010 இல் ஜப்பானுடன் ஏற்பட்ட மோதலின் போது, ​​அரிதான பூமி உலோகங்களை ஏற்றுமதி செய்வதை சீனா தற்காலிகமாக தடை செய்தது. 2023 இல் சீனா தனது கட்டுப்பாடுகளை அறிவித்த நேரத்தில், அமெரிக்கா ஏற்கனவே அதன் விநியோகச் சங்கிலிகளை வலுப்படுத்துவதற்கான வழிமுறைகளை ஆராய்ந்து கொண்டிருந்தது. 

சாத்தியமான மாற்றுகளில் கனடா போன்ற பிற நாடுகளில் இருந்து காலியம் இறக்குமதி செய்வது (அவை போதுமான அளவு உற்பத்தியை அதிகரிக்க முடியும்) மற்றும் மின்னணு கழிவுகளிலிருந்து பொருட்களை மறுசுழற்சி செய்வது ஆகியவை அடங்கும்-இந்த பகுதியில் ஆராய்ச்சிக்கு அமெரிக்க பாதுகாப்புத் துறையின் மேம்பட்ட ஆராய்ச்சி திட்ட முகமை நிதியளிக்கிறது. 

கேலியத்தின் உள்நாட்டு விநியோகத்தை நிறுவுவதும் ஒரு விருப்பமாகும். 

நெதர்லாந்தை தளமாகக் கொண்ட Nyrstar, டென்னசியில் உள்ள அதன் துத்தநாக ஆலை தற்போதைய அமெரிக்க தேவையில் 80% பூர்த்தி செய்ய போதுமான காலியம் பிரித்தெடுக்க முடியும் என்று குறிப்பிட்டது, ஆனால் செயலாக்க வசதியை உருவாக்க $190 மில்லியன் வரை செலவாகும். நிறுவனம் தற்போது விரிவாக்க நிதிக்காக அமெரிக்க அரசாங்கத்துடன் பேச்சுவார்த்தை நடத்தி வருகிறது.

சாத்தியமான காலியம் ஆதாரங்களில் ரவுண்ட் டாப், டெக்சாஸில் உள்ள வைப்புத்தொகையும் அடங்கும். 2021 ஆம் ஆண்டில், அமெரிக்க புவியியல் ஆய்வு இந்த வைப்புத்தொகையில் தோராயமாக 36,500 டன் காலியம் இருப்பதாக மதிப்பிட்டுள்ளது - ஒப்பிடுகையில், சீனா 2022 இல் 750 டன் காலியம் உற்பத்தி செய்தது. 

பொதுவாக, காலியம் சுவடு அளவுகளில் ஏற்படுகிறது மற்றும் மிகவும் சிதறடிக்கப்படுகிறது; இருப்பினும், மார்ச் 2024 இல், அமெரிக்கன் கிரிட்டிகல் மெட்டீரியல்ஸ் கார்ப்பரேஷன், மொன்டானாவில் உள்ள கூட்டேனை தேசிய வனப்பகுதியில் ஒப்பீட்டளவில் உயர்தர கேலியம் செறிவு கொண்ட ஒரு வைப்புத்தொகையைக் கண்டுபிடித்தது. 

தற்போது, ​​டெக்சாஸ் மற்றும் மொன்டானாவில் இருந்து காலியம் இன்னும் பிரித்தெடுக்கப்படவில்லை, ஆனால் ஐடாஹோ நேஷனல் லேபரேட்டரி மற்றும் அமெரிக்கன் கிரிட்டிகல் மெட்டீரியல்ஸ் கார்ப்பரேஷன் ஆகியவற்றின் ஆராய்ச்சியாளர்கள் இந்த பொருளைப் பெறுவதற்கு சுற்றுச்சூழல் நட்பு முறையை உருவாக்க ஒத்துழைத்து வருகின்றனர். 

மைக்ரோசிப் தொழில்நுட்பத்தை மேம்படுத்த யு.எஸ்.க்கு காலியம் மட்டுமே விருப்பம் இல்லை - சீனா சில கட்டுப்பாடற்ற பொருட்களைப் பயன்படுத்தி மேம்பட்ட சில்லுகளை உருவாக்க முடியும், சில சமயங்களில் காலியம் அடிப்படையிலான சில்லுகளை விட இது சிறப்பாக செயல்படும். 

அக்டோபர் 2024 இல், சில்லு உற்பத்தியாளர் Wolfspeed அமெரிக்காவில் மிகப்பெரிய சிலிக்கான் கார்பைடு (SiC என்றும் அழைக்கப்படுகிறது) சிப் உற்பத்தி வசதியை உருவாக்க CHIPS சட்டத்தின் மூலம் $750 மில்லியன் வரை நிதியுதவி பெற்றது.காலியம் நைட்ரைடுஆனால் அதிக சக்தி கொண்ட சூரிய மின் நிலையங்கள் போன்ற சில பயன்பாடுகளுக்கு விரும்பத்தக்கது. 

ஆலிவர் ஃப்ரீதிங்கிடம் கூறினார், “கேலியம் நைட்ரைடு சில மின்னழுத்த வரம்புகளில் நன்றாகச் செயல்படுகிறது.சிலிக்கான் கார்பைடுமற்றவர்களிடம் சிறப்பாக செயல்படுகிறார். எனவே இது நீங்கள் கையாளும் மின்னழுத்தம் மற்றும் சக்தியைப் பொறுத்தது. 

3.4 eV க்கும் அதிகமான பேண்ட்கேப்பைக் கொண்ட பரந்த-பேண்ட்கேப் குறைக்கடத்திகளை அடிப்படையாகக் கொண்ட மைக்ரோசிப்களுக்கான ஆராய்ச்சிக்கு யு.எஸ் நிதியுதவி செய்கிறது. இந்த பொருட்களில் வைரம், அலுமினியம் நைட்ரைடு மற்றும் போரான் நைட்ரைடு ஆகியவை அடங்கும்; அவை விலை உயர்ந்தவை மற்றும் செயலாக்க சவாலானவை என்றாலும், இந்த பொருட்களிலிருந்து தயாரிக்கப்படும் சில்லுகள் ஒரு நாள் குறைந்த சுற்றுச்சூழல் செலவில் குறிப்பிடத்தக்க புதிய செயல்பாடுகளை வழங்கக்கூடும்.

 "கடற்கரை காற்றாலை மின்சக்தியை கடலோர கட்டத்திற்கு அனுப்புவதில் ஈடுபடக்கூடிய மின்னழுத்த வகைகளைப் பற்றி நீங்கள் பேசுகிறீர்கள் என்றால்,காலியம் நைட்ரைடுஅந்த மின்னழுத்தத்தைக் கையாள முடியாததால், பொருத்தமானதாக இருக்காது," என்று ஆலிவர் விளக்கினார். "அலுமினியம் நைட்ரைடு போன்ற பொருட்கள், பரந்த-பேண்ட்கேப், முடியும்."