सिलिकॉन सेमीकंडक्टर चिप्सच्या भविष्यातील संभावनांचा शोध

तंत्रज्ञानातील सेमीकंडक्टरची भूमिका काय परिभाषित करते?

सामग्रीचे त्यांच्या विद्युत चालकतेच्या आधारे वर्गीकरण केले जाऊ शकते - प्रवाह कंडक्टरमध्ये सहज प्रवाहित होतो परंतु इन्सुलेटरमध्ये करू शकत नाही. सेमीकंडक्टर दरम्यान येतात: ते विशिष्ट परिस्थितीत वीज चालवू शकतात, ज्यामुळे ते संगणकीय मध्ये अत्यंत उपयुक्त ठरतात. मायक्रोचिपचा पाया म्हणून सेमीकंडक्टर्सचा वापर करून, आम्ही उपकरणांमधील विजेचा प्रवाह नियंत्रित करू शकतो, ज्यावर आम्ही आज अवलंबून असलेल्या सर्व उल्लेखनीय कार्यांना सक्षम करू शकतो.

त्यांच्या स्थापनेपासून,सिलिकॉनचिप आणि तंत्रज्ञान उद्योगावर प्रभुत्व मिळवले आहे, ज्यामुळे "सिलिकॉन व्हॅली" हा शब्द प्रचलित झाला आहे. तथापि, भविष्यातील तंत्रज्ञानासाठी ही सर्वात योग्य सामग्री असू शकत नाही. हे समजून घेण्यासाठी, आपण चिप्स कसे कार्य करतात, वर्तमान तांत्रिक आव्हाने आणि भविष्यात सिलिकॉनची जागा घेऊ शकतील अशा सामग्रीचा आढावा घेतला पाहिजे.

मायक्रोचिप इनपुट्सचे संगणकीय भाषेत भाषांतर कसे करतात?

मायक्रोचिप्स ट्रान्झिस्टर नावाच्या लहान स्विचने भरलेल्या असतात, जे कीबोर्ड इनपुट आणि सॉफ्टवेअर प्रोग्राम्सचे संगणकीय भाषेत अनुवाद करतात—बायनरी कोड. स्विच उघडल्यावर, '1' दर्शविणारा विद्युतप्रवाह वाहू शकतो; बंद केल्यावर, ते '0' चे प्रतिनिधित्व करू शकत नाही. आधुनिक संगणक जे काही करतात ते शेवटी या स्विचेसवर उकळते.

अनेक दशकांपासून, आम्ही मायक्रोचिप्सवरील ट्रान्झिस्टरची घनता वाढवून संगणकीय शक्ती सुधारली आहे. पहिल्या मायक्रोचिपमध्ये फक्त एक ट्रान्झिस्टर असताना, आज आपण नखांच्या आकाराच्या चिप्समध्ये यापैकी अब्जावधी लहान स्विचेस कॅप्स्युलेट करू शकतो.

पहिली मायक्रोचिप जर्मेनियमची बनलेली होती, परंतु तंत्रज्ञान उद्योगाला ते त्वरीत समजलेसिलिकॉनचिप उत्पादनासाठी उत्कृष्ट सामग्री होती. सिलिकॉनच्या प्राथमिक फायद्यांमध्ये त्याची विपुलता, कमी किंमत आणि उच्च वितळण्याचा बिंदू समाविष्ट आहे, याचा अर्थ ते भारदस्त तापमानात चांगले कार्य करते. याव्यतिरिक्त, सिलिकॉन इतर सामग्रीसह "डोप केलेले" करणे सोपे आहे, ज्यामुळे अभियंत्यांना त्याची चालकता विविध प्रकारे समायोजित करू देते.

आधुनिक संगणनामध्ये सिलिकॉनला कोणत्या आव्हानांचा सामना करावा लागतो?

मध्ये ट्रान्झिस्टर सतत आकुंचन करून वेगवान, अधिक शक्तिशाली संगणक तयार करण्याचे उत्कृष्ट धोरणसिलिकॉनचिप्स ढासळू लागल्या आहेत. पेनसिल्व्हेनिया विद्यापीठातील अभियांत्रिकीचे प्राध्यापक दीप जरीवाला यांनी 2022 मध्ये वॉल स्ट्रीट जर्नलला दिलेल्या मुलाखतीत सांगितले की, “जरी सिलिकॉन अशा लहान आकारात काम करू शकते, तेव्हा गणनेसाठी आवश्यक ऊर्जा कार्यक्षमता वाढत आहे, ज्यामुळे ती अत्यंत टिकाऊ बनत आहे. उर्जेच्या दृष्टिकोनातून, यापुढे याचा अर्थ नाही.

पर्यावरणाला आणखी हानी न पोहोचवता आपल्या तंत्रज्ञानामध्ये सुधारणा करणे सुरू ठेवण्यासाठी, आपण या टिकाऊपणाच्या समस्येकडे लक्ष दिले पाहिजे. या शोधात, काही संशोधक गॅलियम आणि नायट्रोजनपासून बनवलेले संयुग गॅलियम नायट्राइड (GaN) यासह सिलिकॉन व्यतिरिक्त अर्धसंवाहक सामग्रीपासून बनवलेल्या चिप्सचे बारकाईने परीक्षण करत आहेत.

गॅलियम नायट्राइड अर्धसंवाहक सामग्री म्हणून का लक्ष वेधून घेत आहे?

सेमीकंडक्टर्सची विद्युत चालकता बदलते, मुख्यतः "बँडगॅप" म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या कारणामुळे. न्यूक्लियसमध्ये प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन क्लस्टर असतात, तर इलेक्ट्रॉन त्याच्याभोवती फिरतात. विजेचे संचालन करण्यासाठी सामग्रीसाठी, इलेक्ट्रॉन "व्हॅलेन्स बँड" वरून "कंडक्शन बँड" वर जाण्यास सक्षम असणे आवश्यक आहे. या संक्रमणासाठी आवश्यक असलेली किमान उर्जा सामग्रीच्या बँडगॅपची व्याख्या करते.

कंडक्टरमध्ये, हे दोन क्षेत्र एकमेकांवर आच्छादित होतात, परिणामी कोणतेही बँडगॅप होत नाही - इलेक्ट्रॉन या सामग्रीमधून मुक्तपणे जाऊ शकतात. इन्सुलेटरमध्ये, बँडगॅप खूप मोठा असतो, ज्यामुळे लक्षणीय ऊर्जा लागू असतानाही इलेक्ट्रॉन्सना मार्गक्रमण करणे कठीण होते. सेमीकंडक्टर, सिलिकॉनसारखे, एक मध्यम जमीन व्यापतात;सिलिकॉन1.12 इलेक्ट्रॉन व्होल्ट (eV) चा बँडगॅप आहे, तर गॅलियम नायट्राइड 3.4 eV चा बँडगॅप आहे, त्याला “विस्तृत बँडगॅप सेमीकंडक्टर” (WBGS) म्हणून वर्गीकृत करते.

डब्ल्यूबीजीएस सामग्री चालकता स्पेक्ट्रममधील इन्सुलेटरच्या जवळ असते, दोन बँडमध्ये हलविण्यासाठी इलेक्ट्रॉनसाठी अधिक ऊर्जा आवश्यक असते, ज्यामुळे ते अत्यंत कमी-व्होल्टेज अनुप्रयोगांसाठी अयोग्य बनतात. तथापि, WBGS पेक्षा जास्त व्होल्टेज, तापमान आणि उर्जा फ्रिक्वेन्सीवर कार्य करू शकतेसिलिकॉन-आधारितअर्धसंवाहक, त्यांचा वापर करणाऱ्या उपकरणांना जलद आणि अधिक कार्यक्षमतेने चालवण्यास अनुमती देतात.

केंब्रिज गॅएन सेंटरच्या संचालक रॅचेल ऑलिव्हर यांनी फ्रीथिंकला सांगितले, “तुम्ही फोन चार्जरला हात लावला तर ते गरम होईल; हीच ऊर्जा सिलिकॉन चिप्सद्वारे वाया जाते. GaN चार्जर स्पर्श करण्यासाठी खूप थंड वाटतात - तेथे लक्षणीय ऊर्जा वाया जाते."

गॅलियम आणि त्याची संयुगे प्रकाश-उत्सर्जक डायोड, लेझर, लष्करी रडार, उपग्रह आणि सौर पेशींसह अनेक दशकांपासून तंत्रज्ञान उद्योगात वापरली जात आहेत. तथापि,गॅलियम नायट्राइडसध्या तंत्रज्ञान अधिक शक्तिशाली आणि ऊर्जा-कार्यक्षम बनवण्याची आशा असलेल्या संशोधकांचे लक्ष आहे.

गॅलियम नायट्राइडचा भविष्यासाठी कोणता परिणाम होतो?

ऑलिव्हरने नमूद केल्याप्रमाणे, GaN फोन चार्जर आधीच बाजारात आहेत, आणि संशोधकांचे उद्दिष्ट आहे की या सामग्रीचा फायदा घेऊन जलद इलेक्ट्रिक वाहन चार्जर विकसित करणे, इलेक्ट्रिक वाहनांबाबत ग्राहकांच्या महत्त्वाच्या चिंतेचे निराकरण करणे. "इलेक्ट्रिक वाहनांसारखी उपकरणे अधिक वेगाने चार्ज होऊ शकतात," ऑलिव्हर म्हणाला. "पोर्टेबल पॉवर आणि जलद चार्जिंग आवश्यक असलेल्या कोणत्याही गोष्टीसाठी, गॅलियम नायट्राइडमध्ये लक्षणीय क्षमता आहे."

गॅलियम नायट्राइडलष्करी विमाने आणि ड्रोनची रडार प्रणाली देखील वाढवू शकते, ज्यामुळे त्यांना अधिक अंतरावरील लक्ष्य आणि धोके ओळखता येतात आणि डेटा सेंटर सर्व्हरची कार्यक्षमता सुधारते, जी AI क्रांती परवडणारी आणि टिकाऊ बनवण्यासाठी महत्त्वपूर्ण आहे.

ते दिलेगॅलियम नायट्राइडअनेक पैलूंमध्ये उत्कृष्ट आहे आणि काही काळापासून आहे, मायक्रोचिप उद्योग सिलिकॉनच्या आसपास का तयार करत आहे? उत्तर, नेहमीप्रमाणे, किंमतीत आहे: GaN चिप्स अधिक महाग आणि उत्पादनासाठी जटिल आहेत. खर्च कमी करणे आणि उत्पादन स्केलिंग करण्यासाठी वेळ लागेल, परंतु यूएस सरकार या उदयोन्मुख उद्योगाला किकस्टार्ट करण्यासाठी सक्रियपणे काम करत आहे.

फेब्रुवारी 2024 मध्ये, युनायटेड स्टेट्सने देशांतर्गत चिप उत्पादनाचा विस्तार करण्यासाठी CHIPS आणि विज्ञान कायद्यांतर्गत अर्धसंवाहक उत्पादन कंपनी GlobalFoundries ला $1.5 अब्ज वाटप केले.

 या निधीचा एक भाग व्हरमाँटमधील उत्पादन सुविधा अपग्रेड करण्यासाठी वापरला जाईल, ज्यामुळे ते मोठ्या प्रमाणावर उत्पादन करण्यास सक्षम होईल.गॅलियम नायट्राइड(GaN) सेमीकंडक्टर, एक क्षमता जी सध्या यू.एस. मध्ये साकारलेली नाही. निधीच्या घोषणेनुसार, या सेमीकंडक्टरचा उपयोग इलेक्ट्रिक वाहने, डेटा सेंटर्स, स्मार्टफोन, पॉवर ग्रिड आणि इतर तंत्रज्ञानामध्ये केला जाईल. 

तथापि, जरी यूएस त्याच्या उत्पादन क्षेत्रामध्ये सामान्य ऑपरेशन्स पुनर्संचयित करण्यात व्यवस्थापित करते, तरीही उत्पादनGaNचिप्स गॅलियमच्या स्थिर पुरवठ्यावर अवलंबून असतात, ज्याची सध्या खात्री नाही. 

गॅलियम दुर्मिळ नसले तरी - ते तांब्याच्या तुलनेत पृथ्वीच्या कवचांमध्ये असते - ते तांब्यासारख्या मोठ्या, खाण्यायोग्य ठेवींमध्ये अस्तित्वात नाही. तरीही, ॲल्युमिनियम आणि जस्त असलेल्या धातूंमध्ये गॅलियमचे ट्रेस प्रमाण आढळू शकते, ज्यामुळे या घटकांच्या प्रक्रियेदरम्यान त्याचे संकलन होऊ शकते. 

2022 पर्यंत, जगातील अंदाजे 90% गॅलियम चीनमध्ये तयार झाले. दरम्यान, यूएसने 1980 पासून गॅलियमचे उत्पादन केलेले नाही, त्यातील 53% गॅलियम चीनमधून आयात केले जाते आणि उर्वरित इतर देशांकडून आयात केले जाते. 

जुलै 2023 मध्ये, चीनने जाहीर केले की ते राष्ट्रीय सुरक्षेच्या कारणास्तव गॅलियम आणि जर्मेनियम या अन्य सामग्रीच्या निर्यातीवर निर्बंध घालण्यास सुरुवात करेल. 

चीनचे नियम यूएसला गॅलियम निर्यातीवर पूर्णपणे बंदी घालत नाहीत, परंतु त्यांना संभाव्य खरेदीदारांनी परवानग्यांसाठी अर्ज करणे आणि चीनी सरकारकडून मंजूरी घेणे आवश्यक आहे. 

यूएस संरक्षण कंत्राटदारांना नाकारणे जवळजवळ निश्चित आहे, विशेषत: जर ते चीनच्या "अविश्वसनीय घटक सूची" मध्ये सूचीबद्ध असतील. आतापर्यंत, या निर्बंधांमुळे गॅलियमच्या किमती वाढल्या आहेत आणि बहुतेक चिप उत्पादकांसाठी ऑर्डर डिलिव्हरी वेळा वाढल्या आहेत, संपूर्ण कमतरता ऐवजी, जरी चीन भविष्यात या सामग्रीवर आपले नियंत्रण घट्ट करणे निवडू शकेल. 

अमेरिकेने गंभीर खनिजांसाठी चीनवर मोठ्या प्रमाणावर अवलंबून राहण्याशी संबंधित धोके ओळखले आहेत - 2010 मध्ये जपानशी झालेल्या विवादादरम्यान, चीनने पृथ्वीवरील दुर्मिळ धातूंच्या निर्यातीवर तात्पुरती बंदी घातली. 2023 मध्ये चीनने आपले निर्बंध जाहीर केले तोपर्यंत, अमेरिका आधीच पुरवठा साखळी मजबूत करण्यासाठी पद्धती शोधत होती. 

संभाव्य पर्यायांमध्ये कॅनडासारख्या इतर देशांमधून गॅलियम आयात करणे (जर ते उत्पादन वाढवू शकत असतील तर) आणि इलेक्ट्रॉनिक कचऱ्यापासून सामग्रीचा पुनर्वापर करणे समाविष्ट आहे—या क्षेत्रातील संशोधनाला यूएस डिपार्टमेंट ऑफ डिफेन्सच्या प्रगत संशोधन प्रकल्प एजन्सीद्वारे निधी दिला जात आहे. 

गॅलियमचा घरगुती पुरवठा स्थापित करणे हा देखील एक पर्याय आहे. 

नेदरलँड्समधील न्यर्स्टार या कंपनीने सूचित केले आहे की टेनेसीमधील झिंक प्लांट सध्याच्या यूएस मागणीच्या 80% भागासाठी पुरेसे गॅलियम काढू शकेल, परंतु प्रक्रिया सुविधा बांधण्यासाठी $190 दशलक्ष खर्च येईल. कंपनी सध्या विस्तार निधीसाठी यूएस सरकारशी वाटाघाटी करत आहे.

संभाव्य गॅलियम स्त्रोतांमध्ये राऊंड टॉप, टेक्सासमधील ठेव देखील समाविष्ट आहे. 2021 मध्ये, यू.एस. भूगर्भीय सर्वेक्षणाचा अंदाज आहे की या ठेवीमध्ये अंदाजे 36,500 टन गॅलियम आहे—तुलनेने, चीनने 2022 मध्ये 750 टन गॅलियमचे उत्पादन केले. 

सामान्यतः, गॅलियम ट्रेस प्रमाणात आढळते आणि अत्यंत विखुरलेले असते; तथापि, मार्च 2024 मध्ये, अमेरिकन क्रिटिकल मटेरिअल्स कॉर्पोरेशनने मोंटानामधील कुटेनई नॅशनल फॉरेस्टमध्ये उच्च-गुणवत्तेच्या गॅलियमच्या तुलनेने उच्च एकाग्रतेसह एक ठेव शोधला. 

सध्या, टेक्सास आणि मोंटाना येथून गॅलियम काढणे बाकी आहे, परंतु आयडाहो नॅशनल लॅबोरेटरी आणि अमेरिकन क्रिटिकल मटेरियल कॉर्पोरेशनचे संशोधक ही सामग्री मिळविण्यासाठी पर्यावरणास अनुकूल पद्धत विकसित करण्यासाठी सहयोग करत आहेत. 

यूएससाठी मायक्रोचिप तंत्रज्ञान सुधारण्यासाठी गॅलियम हा एकमेव पर्याय नाही - चीन काही अनियंत्रित सामग्री वापरून अधिक प्रगत चिप्स तयार करू शकतो, जे काही प्रकरणांमध्ये गॅलियम-आधारित चिप्सपेक्षा जास्त कामगिरी करू शकतात. 

ऑक्टोबर 2024 मध्ये, चिप उत्पादक वोल्फस्पीडने यू.एस. मधील सर्वात मोठी सिलिकॉन कार्बाइड (ज्याला SiC म्हणूनही ओळखले जाते) चिप उत्पादन सुविधा तयार करण्यासाठी CHIPS कायद्याद्वारे $750 दशलक्ष पर्यंत निधी मिळवला. या प्रकारची चिप पेक्षा जास्त महाग आहेगॅलियम नायट्राइडपरंतु काही विशिष्ट अनुप्रयोगांसाठी श्रेयस्कर आहे, जसे की उच्च-शक्ती सौर ऊर्जा संयंत्रे. 

ऑलिव्हरने फ्रीथिंकला सांगितले, "गॅलियम नायट्राइड विशिष्ट व्होल्टेज श्रेणींमध्ये खूप चांगले कार्य करते, तरसिलिकॉन कार्बाइडइतरांवर चांगले प्रदर्शन करते. त्यामुळे तुम्ही ज्या व्होल्टेज आणि पॉवरचा सामना करत आहात त्यावर ते अवलंबून आहे.” 

यूएस 3.4 eV पेक्षा जास्त बँडगॅप असलेल्या वाइड-बँडगॅप सेमीकंडक्टरवर आधारित मायक्रोचिपच्या संशोधनासाठी देखील निधी देत ​​आहे. या सामग्रीमध्ये डायमंड, ॲल्युमिनियम नायट्राइड आणि बोरॉन नायट्राइड यांचा समावेश होतो; जरी ते महागडे आणि प्रक्रिया करणे आव्हानात्मक असले तरी, या सामग्रीपासून बनवलेल्या चिप्स एक दिवस कमी पर्यावरणीय खर्चात उल्लेखनीय नवीन कार्यक्षमता देऊ शकतात.

 “तुम्ही व्होल्टेजच्या प्रकारांबद्दल बोलत असाल जे किनार्यावरील पवन ऊर्जा ऑनशोर ग्रिडवर प्रसारित करण्यात गुंतलेले असू शकतात,गॅलियम नायट्राइडयोग्य असू शकत नाही, कारण ते व्होल्टेज हाताळू शकत नाही,” ऑलिव्हरने स्पष्ट केले. "ॲल्युमिनियम नायट्राइड सारखे साहित्य, जे रुंद-बँडगॅप आहेत, ते करू शकतात."