استكشاف الآفاق المستقبلية لرقائق أشباه الموصلات السيليكونية

ما الذي يحدد دور أشباه الموصلات في التكنولوجيا؟

يمكن تصنيف المواد على أساس موصليتها الكهربائية، حيث يتدفق التيار بسهولة في الموصلات ولكن لا يتدفق في العوازل. وتقع أشباه الموصلات في الوسط: فهي قادرة على توصيل الكهرباء في ظل ظروف محددة، مما يجعلها مفيدة للغاية في الحوسبة. ومن خلال استخدام أشباه الموصلات كأساس للرقائق الدقيقة، يمكننا التحكم في تدفق الكهرباء داخل الأجهزة، مما يتيح جميع الوظائف الرائعة التي نعتمد عليها اليوم.

منذ بدايتها،السيليكونلقد هيمنت على صناعة الرقائق والتكنولوجيا، مما أدى إلى ظهور مصطلح "وادي السيليكون". ومع ذلك، قد لا تكون المادة الأكثر ملاءمة للتكنولوجيات المستقبلية. لفهم هذا، يجب علينا إعادة النظر في كيفية عمل الرقائق، والتحديات التكنولوجية الحالية، والمواد التي قد تحل محل السيليكون في المستقبل.

كيف تقوم الرقائق الدقيقة بترجمة المدخلات إلى لغة الكمبيوتر؟

تمتلئ الرقائق الدقيقة بمفاتيح صغيرة تسمى الترانزستورات، والتي تترجم مدخلات لوحة المفاتيح والبرامج إلى لغة الكمبيوتر - الكود الثنائي. عندما يكون المفتاح مفتوحًا، يمكن أن يتدفق التيار، مما يمثل الرقم "1"؛ عند إغلاقه، لا يمكن أن يمثل "0". كل ما تفعله أجهزة الكمبيوتر الحديثة يتلخص في النهاية في هذه المفاتيح.

على مدى عقود، قمنا بتحسين القدرة الحاسوبية عن طريق زيادة كثافة الترانزستورات على الرقائق الدقيقة. وبينما كانت الرقاقة الدقيقة الأولى تحتوي على ترانزستور واحد فقط، يمكننا اليوم تغليف مليارات من هذه المفاتيح الصغيرة في شرائح بحجم ظفر الإصبع.

كانت أول شريحة صغيرة مصنوعة من الجرمانيوم، لكن صناعة التكنولوجيا أدركت ذلك بسرعةالسيليكونكانت مادة متفوقة لتصنيع الرقائق. تشمل المزايا الأساسية للسيليكون وفرته، وتكلفته المنخفضة، وارتفاع نقطة انصهاره، مما يعني أنه يعمل بشكل أفضل في درجات الحرارة المرتفعة. بالإضافة إلى ذلك، من السهل "تطعيم" السيليكون بمواد أخرى، مما يسمح للمهندسين بتعديل موصليته بطرق مختلفة.

ما هي التحديات التي يواجهها السيليكون في الحوسبة الحديثة؟

الإستراتيجية الكلاسيكية المتمثلة في إنشاء أجهزة كمبيوتر أسرع وأكثر قوة من خلال تقليص الترانزستورات بشكل مستمرالسيليكونبدأت الرقائق تتعثر. صرح ديب جاريوالا، أستاذ الهندسة في جامعة بنسلفانيا، في مقابلة عام 2022 مع صحيفة وول ستريت جورنال، “في حين أن السيليكون يمكن أن يعمل في مثل هذه الأبعاد الصغيرة، فإن كفاءة الطاقة المطلوبة للحساب آخذة في الارتفاع، مما يجعلها غير مستدامة للغاية. ومن وجهة نظر الطاقة، لم يعد الأمر منطقيا”.

لمواصلة تحسين التكنولوجيا دون الإضرار بالبيئة، يجب علينا معالجة قضية الاستدامة هذه. وفي هذا المسعى، يقوم بعض الباحثين بفحص دقيق للرقائق المصنوعة من مواد شبه موصلة غير السيليكون، بما في ذلك نيتريد الغاليوم (GaN)، وهو مركب مصنوع من الغاليوم والنيتروجين.

لماذا يحظى نيتريد الغاليوم بالاهتمام باعتباره مادة شبه موصلة؟

تختلف الموصلية الكهربائية لأشباه الموصلات، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى ما يعرف باسم "فجوة النطاق". تتجمع البروتونات والنيوترونات في النواة، بينما تدور الإلكترونات حولها. لكي تتمكن المادة من توصيل الكهرباء، يجب أن تكون الإلكترونات قادرة على القفز من "نطاق التكافؤ" إلى "نطاق التوصيل". يحدد الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لهذا التحول فجوة نطاق المادة.

في الموصلات، تتداخل هاتان المنطقتان، مما يؤدي إلى عدم وجود فجوة نطاقية، حيث يمكن للإلكترونات المرور بحرية عبر هذه المواد. في العوازل، تكون فجوة النطاق كبيرة جدًا، مما يجعل من الصعب على الإلكترونات اجتيازها حتى مع تطبيق طاقة كبيرة. تحتل أشباه الموصلات، مثل السيليكون، أرضية وسطى؛السيليكونيحتوي على فجوة نطاق تبلغ 1.12 إلكترون فولت (eV)، في حين يتميز نيتريد الغاليوم بفجوة نطاق تبلغ 3.4 فولت، مما يصنفه على أنه "أشباه الموصلات ذات فجوة نطاق واسعة" (WBGS).

تعتبر مواد WBGS أقرب إلى العوازل في طيف التوصيل، مما يتطلب المزيد من الطاقة لتتحرك الإلكترونات بين النطاقين، مما يجعلها غير مناسبة للتطبيقات ذات الجهد المنخفض جدًا. ومع ذلك، يمكن أن تعمل WBGS بجهد ودرجات حرارة وترددات طاقة أعلى من تلك التيالقائم على السيليكونأشباه الموصلات، مما يسمح للأجهزة التي تستخدمها بالعمل بشكل أسرع وأكثر كفاءة.

قالت راشيل أوليفر، مديرة مركز كامبريدج GaN، لـ Freethink: "إذا وضعت يدك على شاحن الهاتف، فستشعر بالحرارة؛ وإذا وضعت يدك على شاحن الهاتف، فستشعر بالحرارة؛ وإذا وضعت يدك على شاحن الهاتف، فستشعر بالحرارة؛ هذه هي الطاقة التي تهدرها رقائق السيليكون. تبدو شواحن GaN أكثر برودة عند اللمس، مما يقلل بشكل كبير من إهدار الطاقة.

تم استخدام الغاليوم ومركباته في صناعة التكنولوجيا لعقود من الزمن، بما في ذلك في الثنائيات الباعثة للضوء، وأشعة الليزر، والرادار العسكري، والأقمار الصناعية، والخلايا الشمسية. لكن،نيتريد الغاليومهو حاليا محور اهتمام الباحثين الذين يأملون في جعل التكنولوجيا أكثر قوة وكفاءة في استخدام الطاقة.

ما هي الآثار المترتبة على نيتريد الغاليوم في المستقبل؟

وكما ذكر أوليفر، فإن شواحن هواتف GaN موجودة بالفعل في السوق، ويهدف الباحثون إلى الاستفادة من هذه المواد لتطوير شواحن أسرع للسيارات الكهربائية، مما يعالج مخاوف المستهلكين الكبيرة فيما يتعلق بالسيارات الكهربائية. وقال أوليفر: "يمكن للأجهزة مثل السيارات الكهربائية أن تشحن بسرعة أكبر بكثير". "بالنسبة لأي شيء يتطلب طاقة محمولة وشحنًا سريعًا، فإن نيتريد الغاليوم لديه إمكانات كبيرة."

نيتريد الغاليومويمكنه أيضًا تعزيز أنظمة الرادار للطائرات العسكرية والطائرات بدون طيار، مما يسمح لها بتحديد الأهداف والتهديدات من مسافات أكبر، وتحسين كفاءة خوادم مراكز البيانات، وهو أمر بالغ الأهمية لجعل ثورة الذكاء الاصطناعي ميسورة التكلفة ومستدامة.

بشرطنيتريد الغاليوميتفوق في العديد من الجوانب وهو موجود منذ بعض الوقت، فلماذا تستمر صناعة الرقائق الدقيقة في البناء على السيليكون؟ الجواب، كما هو الحال دائمًا، يكمن في التكلفة: رقائق GaN أكثر تكلفة وتعقيدًا في التصنيع. سيستغرق خفض التكاليف وتوسيع نطاق الإنتاج بعض الوقت، لكن الحكومة الأمريكية تعمل بنشاط على إطلاق هذه الصناعة الناشئة.

في فبراير 2024، خصصت الولايات المتحدة 1.5 مليار دولار لشركة تصنيع أشباه الموصلات GlobalFoundries بموجب قانون CHIPS والعلوم لتوسيع إنتاج الرقائق المحلية.

 وسيتم استخدام جزء من هذه الأموال لتطوير منشأة التصنيع في ولاية فيرمونت، مما يمكنها من الإنتاج بكميات كبيرةنيتريد الغاليوم(GaN) أشباه الموصلات، وهي قدرة لم تتحقق حاليًا في الولايات المتحدة. وفقًا لإعلان التمويل، سيتم استخدام أشباه الموصلات هذه في السيارات الكهربائية ومراكز البيانات والهواتف الذكية وشبكات الطاقة وغيرها من التقنيات. 

ومع ذلك، حتى لو تمكنت الولايات المتحدة من استعادة العمليات الطبيعية عبر قطاع التصنيع لديها، فإن الإنتاجالجاليوموتتوقف الرقائق على إمدادات مستقرة من الغاليوم، وهو أمر غير مضمون حاليًا. 

في حين أن الغاليوم ليس نادرًا، فهو موجود في قشرة الأرض بمستويات مماثلة للنحاس، إلا أنه لا يتواجد في الرواسب الكبيرة القابلة للتعدين مثل النحاس. ومع ذلك، يمكن العثور على كميات ضئيلة من الغاليوم في الخامات التي تحتوي على الألومنيوم والزنك، مما يسمح بتجميعها أثناء معالجة هذه العناصر. 

اعتبارًا من عام 2022، تم إنتاج ما يقرب من 90٪ من الغاليوم في العالم في الصين. وفي الوقت نفسه، لم تنتج الولايات المتحدة الغاليوم منذ الثمانينيات، حيث تم استيراد 53٪ من الغاليوم من الصين والباقي مصدره دول أخرى. 

وفي يوليو 2023، أعلنت الصين أنها ستبدأ في تقييد صادرات الغاليوم ومادة أخرى، وهي الجرمانيوم، لأسباب تتعلق بالأمن القومي. 

لا تحظر اللوائح الصينية بشكل مباشر صادرات الغاليوم إلى الولايات المتحدة، ولكنها تتطلب من المشترين المحتملين التقدم للحصول على تصاريح والحصول على موافقة من الحكومة الصينية. 

ومن شبه المؤكد أن مقاولي الدفاع الأميركيين سيواجهون الرفض، خاصة إذا كانوا مدرجين في "قائمة الكيانات غير الموثوقة" في الصين. حتى الآن، يبدو أن هذه القيود أدت إلى زيادة أسعار الغاليوم وتمديد أوقات تسليم الطلبات لمعظم الشركات المصنعة للرقائق، بدلاً من النقص التام، على الرغم من أن الصين قد تختار تشديد سيطرتها على هذه المادة في المستقبل. 

لقد أدركت الولايات المتحدة منذ فترة طويلة المخاطر المرتبطة باعتمادها الكبير على الصين للحصول على المعادن الحيوية - فخلال نزاع مع اليابان في عام 2010، حظرت الصين مؤقتا تصدير المعادن الأرضية النادرة. وبحلول الوقت الذي أعلنت فيه الصين قيودها في عام 2023، كانت الولايات المتحدة تستكشف بالفعل طرقًا لتعزيز سلاسل التوريد الخاصة بها. 

وتشمل البدائل المحتملة استيراد الغاليوم من بلدان أخرى، مثل كندا (إذا كان بإمكانها زيادة الإنتاج بشكل كافٍ)، وإعادة تدوير المواد من النفايات الإلكترونية، ويتم تمويل الأبحاث في هذا المجال من قبل وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة التابعة لوزارة الدفاع الأمريكية. 

يعد إنشاء إمدادات محلية من الغاليوم خيارًا أيضًا. 

أشارت شركة Nyrstar، ومقرها هولندا، إلى أن مصنع الزنك التابع لها في ولاية تينيسي يمكنه استخراج ما يكفي من الغاليوم لتلبية 80% من الطلب الحالي في الولايات المتحدة، لكن بناء منشأة المعالجة سيكلف ما يصل إلى 190 مليون دولار. وتتفاوض الشركة حاليًا مع الحكومة الأمريكية للحصول على تمويل للتوسع.

تتضمن مصادر الغاليوم المحتملة أيضًا وديعة في Round Top، تكساس. في عام 2021، قدرت هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية أن هذا المستودع يحتوي على ما يقرب من 36500 طن من الغاليوم - وبالمقارنة، أنتجت الصين 750 طنًا من الغاليوم في عام 2022. 

عادة، يتواجد الغاليوم بكميات ضئيلة وهو منتشر للغاية؛ ومع ذلك، في مارس 2024، اكتشفت شركة American Critical Materials Corp. رواسب ذات تركيز عالٍ نسبيًا من الغاليوم عالي الجودة في غابة كوتيناي الوطنية في مونتانا. 

حاليًا، لم يتم بعد استخراج الغاليوم من تكساس ومونتانا، لكن باحثين من مختبر أيداهو الوطني وشركة المواد الحرجة الأمريكية يتعاونون لتطوير طريقة صديقة للبيئة للحصول على هذه المادة. 

لا يعد الغاليوم هو الخيار الوحيد أمام الولايات المتحدة لتحسين تكنولوجيا الرقائق الدقيقة، حيث يمكن للصين إنتاج رقائق أكثر تقدمًا باستخدام بعض المواد غير المقيدة، والتي قد تتفوق في بعض الحالات على الرقائق المعتمدة على الغاليوم. 

في أكتوبر 2024، حصلت شركة تصنيع الرقائق Wolfspeed على تمويل يصل إلى 750 مليون دولار من خلال قانون CHIPS لبناء أكبر منشأة لتصنيع شرائح كربيد السيليكون (المعروفة أيضًا باسم SiC) في الولايات المتحدة. هذا النوع من الرقائق أغلى مننيتريد الغاليومولكنه مفضل لتطبيقات معينة، مثل محطات الطاقة الشمسية عالية الطاقة. 

قال أوليفر لـ Freethink، "إن أداء نيتريد الغاليوم جيد جدًا في نطاقات جهد معينة، بينماكربيد السيليكونأداء أفضل في الآخرين. لذلك يعتمد الأمر على الجهد والطاقة التي تتعامل معها. 

وتقوم الولايات المتحدة أيضًا بتمويل الأبحاث في مجال الرقائق الدقيقة القائمة على أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة، والتي لها فجوة نطاق أكبر من 3.4 فولت. وتشمل هذه المواد الماس، ونيتريد الألومنيوم، ونيتريد البورون؛ وعلى الرغم من أن معالجتها مكلفة وصعبة، إلا أن الرقائق المصنوعة من هذه المواد قد توفر يومًا ما وظائف جديدة رائعة بتكاليف بيئية أقل.

 "إذا كنت تتحدث عن أنواع الفولتية التي قد تشارك في نقل طاقة الرياح البحرية إلى الشبكة البرية،نيتريد الغاليوموأوضح أوليفر: "قد لا يكون مناسبًا، لأنه لا يمكنه التعامل مع هذا الجهد". "يمكن لمواد مثل نيتريد الألومنيوم، ذات فجوة النطاق الواسعة، أن تفعل ذلك."