Onderzoek naar de toekomstperspectieven van siliciumhalfgeleiderchips

Wat definieert de rol van halfgeleiders in de technologie?

Materialen kunnen worden geclassificeerd op basis van hun elektrische geleidbaarheid: stroom vloeit gemakkelijk in geleiders, maar niet in isolatoren. Halfgeleiders zitten daar tussenin: ze kunnen onder specifieke omstandigheden elektriciteit geleiden, waardoor ze uiterst nuttig zijn bij computergebruik. Door halfgeleiders te gebruiken als basis voor microchips kunnen we de elektriciteitsstroom binnen apparaten controleren, waardoor alle opmerkelijke functies mogelijk worden waar we vandaag de dag op vertrouwen.

Sinds hun oprichting hebbensiliciumheeft de chip- en technologie-industrie gedomineerd, wat heeft geleid tot de term ‘Silicon Valley’. Het is echter mogelijk niet het meest geschikte materiaal voor toekomstige technologieën. Om dit te begrijpen moeten we opnieuw kijken naar de manier waarop chips functioneren, naar de huidige technologische uitdagingen en naar de materialen die in de toekomst silicium kunnen vervangen.

Hoe vertalen microchips input in computertaal?

Microchips zijn gevuld met kleine schakelaars, transistors genaamd, die toetsenbordinvoer en softwareprogramma's vertalen naar computertaal: binaire code. Als een schakelaar open is, kan er stroom vloeien, wat een '1' betekent; wanneer gesloten kan dit niet, wat een '0' vertegenwoordigt. Alles wat moderne computers doen komt uiteindelijk neer op deze schakelaars.

Decennia lang hebben we de rekenkracht verbeterd door de dichtheid van transistors op microchips te vergroten. Terwijl de eerste microchip slechts één transistor bevatte, kunnen we tegenwoordig miljarden van deze kleine schakelaars inkapselen in chips ter grootte van een vingernagel.

De eerste microchip was gemaakt van germanium, maar de technologische industrie besefte dat al snelsiliciumwas een superieur materiaal voor de productie van chips. De belangrijkste voordelen van silicium zijn de overvloed, de lage kosten en het hogere smeltpunt, wat betekent dat het beter presteert bij hogere temperaturen. Bovendien kan silicium gemakkelijk worden ‘gedoteerd’ met andere materialen, waardoor ingenieurs de geleidbaarheid op verschillende manieren kunnen aanpassen.

Met welke uitdagingen wordt silicium geconfronteerd in moderne computers?

De klassieke strategie om snellere, krachtigere computers te creëren door de transistors voortdurend te verkleinensiliciumchips begint te wankelen. Deep Jariwala, hoogleraar techniek aan de Universiteit van Pennsylvania, verklaarde in 2022 in een interview met The Wall Street Journal: “Hoewel silicium op zulke kleine afmetingen kan werken, is de energie-efficiëntie die nodig is voor een berekening toegenomen, waardoor het uiterst onhoudbaar is. Vanuit energieoogpunt is het niet langer logisch.”

Om onze technologie te blijven verbeteren zonder het milieu verder te schaden, moeten we dit duurzaamheidsprobleem aanpakken. In dit streven onderzoeken sommige onderzoekers chips gemaakt van andere halfgeleidermaterialen dan silicium, waaronder galliumnitride (GaN), een verbinding gemaakt van gallium en stikstof.

Waarom krijgt galliumnitride aandacht als halfgeleidermateriaal?

De elektrische geleidbaarheid van halfgeleiders varieert, voornamelijk als gevolg van wat bekend staat als de ‘bandgap’. Protonen en neutronen clusteren in de kern, terwijl elektronen eromheen cirkelen. Wil een materiaal elektriciteit geleiden, dan moeten elektronen van de ‘valentieband’ naar de ‘geleidingsband’ kunnen springen. De minimale energie die nodig is voor deze overgang bepaalt de bandafstand van het materiaal.

In geleiders overlappen deze twee gebieden elkaar, waardoor er geen bandafstand ontstaat: elektronen kunnen vrij door deze materialen passeren. In isolatoren is de bandafstand erg groot, waardoor het voor elektronen moeilijk wordt om er doorheen te gaan, zelfs als er aanzienlijke energie wordt toegepast. Halfgeleiders nemen, net als silicium, een middenpositie in;siliciumheeft een bandafstand van 1,12 elektronvolt (eV), terwijl galliumnitride een bandafstand van 3,4 eV heeft, waardoor het wordt gecategoriseerd als een “wide bandgap semiconductor” (WBGS).

WBGS-materialen liggen dichter bij isolatoren in het geleidbaarheidsspectrum, waardoor elektronen meer energie nodig hebben om tussen de twee banden te bewegen, waardoor ze ongeschikt zijn voor toepassingen met zeer lage spanning. WBGS kan echter werken bij hogere spanningen, temperaturen en energiefrequenties danop silicium gebaseerdhalfgeleiders, waardoor apparaten die hiervan gebruikmaken sneller en efficiënter kunnen werken.

Rachel Oliver, directeur van het Cambridge GaN Centre, zei tegen Freethink: “Als je je hand op een telefoonoplader legt, zal deze warm aanvoelen; dat is de energie die wordt verspild door siliciumchips. GaN-opladers voelen veel koeler aan en er is aanzienlijk minder energieverspilling.”

Gallium en zijn verbindingen worden al tientallen jaren in de technische industrie gebruikt, onder meer in lichtgevende diodes, lasers, militaire radar, satellieten en zonnecellen. Echter,galliumnitrideis momenteel de focus van onderzoekers die technologie krachtiger en energiezuiniger willen maken.

Welke implicaties heeft galliumnitride voor de toekomst?

Zoals Oliver al zei, zijn GaN-telefoonopladers al op de markt, en onderzoekers willen dit materiaal gebruiken om snellere opladers voor elektrische voertuigen te ontwikkelen, waarmee tegemoet wordt gekomen aan een aanzienlijke bezorgdheid van consumenten over elektrische voertuigen. “Apparaten zoals elektrische voertuigen kunnen veel sneller opladen”, zegt Oliver. “Voor alles dat draagbare stroom en snel opladen vereist, heeft galliumnitride een aanzienlijk potentieel.”

Galliumnitridekan ook de radarsystemen van militaire vliegtuigen en drones verbeteren, waardoor ze doelen en bedreigingen vanaf grotere afstanden kunnen identificeren, en de efficiëntie van datacenterservers verbeteren, wat cruciaal is om de AI-revolutie betaalbaar en duurzaam te maken.

Gezien datgalliumnitrideblinkt uit in veel aspecten en bestaat al een tijdje. Waarom blijft de microchipindustrie rond silicium bouwen? Het antwoord ligt, zoals altijd, in de kosten: GaN-chips zijn duurder en complexer om te produceren. Het verlagen van de kosten en het opschalen van de productie zal tijd vergen, maar de Amerikaanse overheid werkt er actief aan om deze opkomende industrie een nieuwe impuls te geven.

In februari 2024 hebben de Verenigde Staten in het kader van de CHIPS and Science Act 1,5 miljard dollar toegewezen aan het halfgeleiderproductiebedrijf GlobalFoundries om de binnenlandse chipproductie uit te breiden.

 Een deel van dit geld zal worden gebruikt om een ​​productiefaciliteit in Vermont te upgraden, zodat deze massaproductie kan uitvoerengalliumnitride(GaN) halfgeleiders, een mogelijkheid die momenteel niet wordt gerealiseerd in de VS. Volgens de financieringsaankondiging zullen deze halfgeleiders worden gebruikt in elektrische voertuigen, datacenters, smartphones, elektriciteitsnetwerken en andere technologieën. 

Maar zelfs als de VS erin slaagt de normale activiteiten in de hele productiesector te herstellen, zal de productie van...GaNchips is afhankelijk van een stabiele aanvoer van gallium, wat momenteel niet gegarandeerd is. 

Hoewel gallium niet zeldzaam is – het is aanwezig in de aardkorst in niveaus die vergelijkbaar zijn met die van koper – komt het niet voor in grote, mijnbare afzettingen zoals koper. Niettemin kunnen sporen van gallium worden aangetroffen in ertsen die aluminium en zink bevatten, waardoor deze tijdens de verwerking van deze elementen kunnen worden verzameld. 

Vanaf 2022 werd ongeveer 90% van het gallium in de wereld in China geproduceerd. Ondertussen hebben de VS sinds de jaren tachtig geen gallium meer geproduceerd: 53% van het gallium wordt geïmporteerd uit China en de rest komt uit andere landen. 

In juli 2023 kondigde China aan dat het om redenen van nationale veiligheid de export van gallium en een ander materiaal, germanium, zou gaan beperken. 

De Chinese regelgeving verbiedt de export van gallium naar de VS niet volledig, maar vereist wel dat potentiële kopers vergunningen aanvragen en goedkeuring krijgen van de Chinese overheid. 

Amerikaanse defensiecontractanten zullen vrijwel zeker te maken krijgen met afwijzingen, vooral als ze op de ‘lijst van onbetrouwbare entiteiten’ van China staan. Tot nu toe lijken deze beperkingen te hebben geresulteerd in hogere galliumprijzen en verlengde levertijden voor de meeste chipfabrikanten, in plaats van een regelrecht tekort, hoewel China ervoor zou kunnen kiezen zijn controle over dit materiaal in de toekomst te verscherpen. 

De VS onderkennen al lang de risico’s die gepaard gaan met hun grote afhankelijkheid van China voor cruciale mineralen. Tijdens een dispuut met Japan in 2010 verbood China tijdelijk de export van zeldzame aardmetalen. Tegen de tijd dat China zijn beperkingen in 2023 aankondigde, was de VS al bezig met het onderzoeken van methoden om zijn toeleveringsketens te versterken. 

Mogelijke alternatieven zijn onder meer het importeren van gallium uit andere landen, zoals Canada (als ze de productie voldoende kunnen opvoeren), en het recyclen van het materiaal uit elektronisch afval. Onderzoek op dit gebied wordt gefinancierd door de Advanced Research Projects Agency van het Amerikaanse ministerie van Defensie. 

Het aanleggen van een binnenlandse aanvoer van gallium is ook een optie. 

Nyrstar, een in Nederland gevestigd bedrijf, gaf aan dat zijn zinkfabriek in Tennessee voldoende gallium zou kunnen winnen om aan 80% van de huidige Amerikaanse vraag te voldoen, maar dat de bouw van de verwerkingsfaciliteit tot $190 miljoen zou kosten. Het bedrijf onderhandelt momenteel met de Amerikaanse overheid over uitbreidingsfinanciering.

Potentiële bronnen van gallium omvatten ook een afzetting in Round Top, Texas. In 2021 schatte de US Geological Survey dat deze afzetting ongeveer 36.500 ton gallium bevat; ter vergelijking: China produceerde in 2022 750 ton gallium. 

Typisch komt gallium voor in sporenhoeveelheden en is het extreem verspreid; In maart 2024 ontdekte American Critical Materials Corp. echter een afzetting met een relatief hoge concentratie gallium van hoge kwaliteit in het Kootenai National Forest in Montana. 

Momenteel moet gallium uit Texas en Montana nog worden gewonnen, maar onderzoekers van het Idaho National Laboratory en American Critical Materials Corp. werken samen om een ​​milieuvriendelijke methode te ontwikkelen om dit materiaal te verkrijgen. 

Gallium is niet de enige optie voor de VS om de microchiptechnologie te verbeteren; China kan geavanceerdere chips produceren met behulp van een aantal onbeperkte materialen, die in sommige gevallen beter presteren dan op gallium gebaseerde chips. 

In oktober 2024 verzekerde chipfabrikant Wolfspeed via de CHIPS Act tot 750 miljoen dollar aan financiering voor de bouw van de grootste chipproductiefaciliteit voor siliciumcarbide (ook bekend als SiC) in de VS. Dit type chip is duurder dangalliumnitridemaar heeft de voorkeur voor bepaalde toepassingen, zoals krachtige zonne-energiecentrales. 

Oliver vertelde Freethink: “Galliumnitride presteert zeer goed bij bepaalde spanningsbereikensiliciumcarbidepresteert beter bij anderen. Het hangt dus af van de spanning en het vermogen waarmee je te maken hebt.” 

De VS financieren ook onderzoek naar microchips op basis van halfgeleiders met een brede bandafstand, die een bandafstand van meer dan 3,4 eV hebben. Deze materialen omvatten diamant, aluminiumnitride en boornitride; Ook al zijn ze duur en uitdagend om te verwerken, chips gemaakt van deze materialen kunnen op een dag opmerkelijke nieuwe functionaliteiten bieden tegen lagere milieukosten.

 “Als je het hebt over de soorten spanningen die betrokken kunnen zijn bij het overbrengen van offshore windenergie naar het onshore elektriciteitsnet,galliumnitrideis misschien niet geschikt, omdat hij die spanning niet aankan”, legt Oliver uit. “Materialen zoals aluminiumnitride, die een brede bandafstand hebben, kunnen dat wel.”