Erkundung der Zukunftsaussichten von Silizium-Halbleiterchips

Was macht die Rolle von Halbleitern in der Technologie aus?

Materialien können anhand ihrer elektrischen Leitfähigkeit klassifiziert werden – in Leitern fließt Strom problemlos, in Isolatoren jedoch nicht. Halbleiter liegen dazwischen: Sie können unter bestimmten Bedingungen Elektrizität leiten, was sie für die Datenverarbeitung äußerst nützlich macht. Durch die Verwendung von Halbleitern als Grundlage für Mikrochips können wir den Stromfluss in Geräten steuern und so alle bemerkenswerten Funktionen ermöglichen, auf die wir heute angewiesen sind.

Seit ihrer GründungSiliziumhat die Chip- und Technologiebranche dominiert, was zum Begriff „Silicon Valley“ geführt hat. Allerdings ist es möglicherweise nicht das am besten geeignete Material für zukünftige Technologien. Um dies zu verstehen, müssen wir uns erneut mit der Funktionsweise von Chips, den aktuellen technologischen Herausforderungen und den Materialien befassen, die in Zukunft Silizium ersetzen könnten.

Wie übersetzen Mikrochips Eingaben in Computersprache?

Mikrochips sind mit winzigen Schaltern, sogenannten Transistoren, gefüllt, die Tastatureingaben und Softwareprogramme in Computersprache – Binärcode – übersetzen. Wenn ein Schalter geöffnet ist, kann Strom fließen, was einer „1“ entspricht; Im geschlossenen Zustand ist dies nicht möglich, was eine „0“ darstellt. Alles, was moderne Computer tun, läuft letztendlich auf diese Schalter hinaus.

Seit Jahrzehnten verbessern wir die Rechenleistung, indem wir die Transistordichte auf Mikrochips erhöhen. Während der erste Mikrochip nur einen Transistor enthielt, können wir heute Milliarden dieser winzigen Schalter in fingernagelgroßen Chips verkapseln.

Der erste Mikrochip bestand aus Germanium, aber die Technologiebranche erkannte das schnellSiliziumwar ein überlegenes Material für die Chipherstellung. Zu den Hauptvorteilen von Silizium gehören seine große Menge, seine geringen Kosten und sein höherer Schmelzpunkt, was bedeutet, dass es bei erhöhten Temperaturen eine bessere Leistung erbringt. Darüber hinaus lässt sich Silizium leicht mit anderen Materialien „dotieren“, sodass Ingenieure seine Leitfähigkeit auf verschiedene Weise anpassen können.

Vor welchen Herausforderungen steht Silizium im modernen Computing?

Die klassische Strategie, durch kontinuierliche Verkleinerung der Transistoren schnellere und leistungsfähigere Computer zu schaffenSiliziumChips beginnen zu schwächeln. Deep Jariwala, Professor für Ingenieurwissenschaften an der University of Pennsylvania, erklärte in einem Interview mit dem Wall Street Journal im Jahr 2022: „Während Silizium in so kleinen Dimensionen funktionieren kann, ist die für eine Berechnung erforderliche Energieeffizienz gestiegen, was sie äußerst unhaltbar macht.“ Aus energetischer Sicht macht das keinen Sinn mehr.“

Um unsere Technologie weiter zu verbessern, ohne die Umwelt weiter zu schädigen, müssen wir uns mit diesem Nachhaltigkeitsproblem befassen. Zu diesem Zweck untersuchen einige Forscher Chips, die aus anderen Halbleitermaterialien als Silizium hergestellt sind, einschließlich Galliumnitrid (GaN), einer Verbindung aus Gallium und Stickstoff.

Warum gewinnt Galliumnitrid als Halbleitermaterial an Aufmerksamkeit?

Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern variiert vor allem aufgrund der sogenannten „Bandlücke“. Protonen und Neutronen sammeln sich im Kern, während Elektronen ihn umkreisen. Damit ein Material Strom leitet, müssen Elektronen vom „Valenzband“ in das „Leitungsband“ springen können. Die für diesen Übergang erforderliche Mindestenergie definiert die Bandlücke des Materials.

In Leitern überlappen sich diese beiden Bereiche, sodass keine Bandlücke entsteht – Elektronen können diese Materialien frei passieren. In Isolatoren ist die Bandlücke sehr groß, was es für Elektronen schwierig macht, sich zu bewegen, selbst wenn viel Energie zugeführt wird. Halbleiter nehmen wie Silizium einen Mittelweg ein;Siliziumhat eine Bandlücke von 1,12 Elektronenvolt (eV), während Galliumnitrid eine Bandlücke von 3,4 eV aufweist, was es als „Wide Bandgap Semiconductor“ (WBGS) kategorisiert.

WBGS-Materialien sind im Leitfähigkeitsspektrum näher an Isolatoren und benötigen mehr Energie für die Bewegung der Elektronen zwischen den beiden Bändern, was sie für Anwendungen mit sehr niedriger Spannung ungeeignet macht. Allerdings kann WBGS bei höheren Spannungen, Temperaturen und Energiefrequenzen betrieben werden alsSiliziumbasiertHalbleitern, sodass Geräte, die sie nutzen, schneller und effizienter laufen können.

Rachel Oliver, Direktorin des Cambridge GaN Centre, sagte gegenüber Freethink: „Wenn Sie Ihre Hand auf ein Telefonladegerät legen, wird es sich heiß anfühlen; Das ist die Energie, die Siliziumchips verschwenden. GaN-Ladegeräte fühlen sich viel kühler an – es wird deutlich weniger Energie verschwendet.“

Gallium und seine Verbindungen werden seit Jahrzehnten in der Technologieindustrie eingesetzt, unter anderem in Leuchtdioden, Lasern, militärischem Radar, Satelliten und Solarzellen. Jedoch,Galliumnitridsteht derzeit im Fokus von Forschern, die die Technologie leistungsfähiger und energieeffizienter machen wollen.

Welche Implikationen hat Galliumnitrid für die Zukunft?

Wie Oliver erwähnte, sind GaN-Telefonladegeräte bereits auf dem Markt, und Forscher wollen dieses Material nutzen, um schnellere Ladegeräte für Elektrofahrzeuge zu entwickeln und so einem großen Verbraucherproblem in Bezug auf Elektrofahrzeuge Rechnung zu tragen. „Geräte wie Elektrofahrzeuge können viel schneller aufgeladen werden“, sagte Oliver. „Für alles, was tragbare Energie und schnelles Laden erfordert, hat Galliumnitrid ein erhebliches Potenzial.“

Galliumnitridkann auch die Radarsysteme von Militärflugzeugen und Drohnen verbessern, sodass sie Ziele und Bedrohungen aus größerer Entfernung identifizieren und die Effizienz von Rechenzentrumsservern verbessern können, was entscheidend ist, um die KI-Revolution erschwinglich und nachhaltig zu machen.

Angesichts dessenGalliumnitridin vielen Aspekten herausragt und es schon seit einiger Zeit gibt, warum baut die Mikrochip-Industrie weiterhin auf Silizium auf? Die Antwort liegt wie immer in den Kosten: GaN-Chips sind teurer und komplexer in der Herstellung. Es wird Zeit brauchen, die Kosten zu senken und die Produktion zu steigern, aber die US-Regierung arbeitet aktiv daran, diese aufstrebende Branche anzukurbeln.

Im Februar 2024 stellten die Vereinigten Staaten dem Halbleiterhersteller GlobalFoundries im Rahmen des CHIPS and Science Act 1,5 Milliarden US-Dollar zur Verfügung, um die inländische Chipproduktion auszubauen.

 Ein Teil dieser Mittel wird für die Modernisierung einer Produktionsanlage in Vermont verwendet, um die Massenproduktion zu ermöglichenGalliumnitrid(GaN)-Halbleiter, eine Fähigkeit, die derzeit in den USA nicht realisiert wird. Der Finanzierungsankündigung zufolge werden diese Halbleiter in Elektrofahrzeugen, Rechenzentren, Smartphones, Stromnetzen und anderen Technologien eingesetzt. 

Doch selbst wenn es den USA gelingt, den normalen Betrieb im gesamten verarbeitenden Gewerbe wiederherzustellen, wird die Produktion vonGaNChips ist von einer stabilen Galliumversorgung abhängig, die derzeit nicht gewährleistet ist. 

Während Gallium nicht selten ist – es kommt in der Erdkruste in vergleichbaren Mengen wie Kupfer vor – kommt es nicht in großen, abbaubaren Lagerstätten wie Kupfer vor. Dennoch können in Erzen, die Aluminium und Zink enthalten, Spuren von Gallium gefunden werden, die bei der Verarbeitung dieser Elemente gesammelt werden können. 

Im Jahr 2022 wurden etwa 90 % des weltweiten Galliums in China produziert. Unterdessen haben die USA seit den 1980er Jahren kein Gallium mehr produziert, da 53 % ihres Galliums aus China importiert und der Rest aus anderen Ländern bezogen wird. 

Im Juli 2023 kündigte China an, aus Gründen der nationalen Sicherheit damit zu beginnen, den Export von Gallium und einem anderen Material, Germanium, einzuschränken. 

Die chinesischen Vorschriften verbieten den Export von Gallium in die USA nicht gänzlich, verlangen aber von potenziellen Käufern, dass sie Genehmigungen beantragen und die Zustimmung der chinesischen Regierung einholen. 

US-Verteidigungsunternehmen werden mit ziemlicher Sicherheit abgelehnt, insbesondere wenn sie auf Chinas „Liste der unzuverlässigen Unternehmen“ aufgeführt sind. Bisher scheinen diese Beschränkungen bei den meisten Chipherstellern eher zu höheren Galliumpreisen und längeren Auftragslieferzeiten als zu einer völligen Verknappung geführt zu haben, obwohl China sich in Zukunft möglicherweise dafür entscheiden könnte, seine Kontrolle über dieses Material zu verschärfen. 

Die USA haben die Risiken, die mit ihrer starken Abhängigkeit von China bei kritischen Mineralien verbunden sind, schon lange erkannt – während eines Streits mit Japan im Jahr 2010 verbot China vorübergehend den Export von Seltenerdmetallen. Als China im Jahr 2023 seine Beschränkungen ankündigte, prüften die USA bereits Methoden zur Stärkung ihrer Lieferketten. 

Mögliche Alternativen sind der Import von Gallium aus anderen Ländern wie Kanada (sofern dort die Produktion ausreichend hochgefahren werden kann) und das Recycling des Materials aus Elektroschrott – Forschung in diesem Bereich wird von der Advanced Research Projects Agency des US-Verteidigungsministeriums finanziert. 

Auch der Aufbau einer inländischen Galliumversorgung ist eine Option. 

Nyrstar, ein in den Niederlanden ansässiges Unternehmen, gab an, dass sein Zinkwerk in Tennessee genug Gallium gewinnen könne, um 80 % des aktuellen US-Bedarfs zu decken, der Bau der Verarbeitungsanlage würde jedoch bis zu 190 Millionen US-Dollar kosten. Das Unternehmen verhandelt derzeit mit der US-Regierung über eine Expansionsfinanzierung.

Zu den potenziellen Galliumquellen gehört auch eine Lagerstätte in Round Top, Texas. Im Jahr 2021 schätzte der U.S. Geological Survey, dass diese Lagerstätte etwa 36.500 Tonnen Gallium enthält – zum Vergleich: China produzierte im Jahr 2022 750 Tonnen Gallium. 

Typischerweise kommt Gallium in Spuren vor und ist extrem dispergiert; Im März 2024 entdeckte American Critical Materials Corp. jedoch eine Lagerstätte mit einer relativ hohen Konzentration an hochwertigem Gallium im Kootenai National Forest in Montana. 

Derzeit muss Gallium aus Texas und Montana noch gewonnen werden, aber Forscher des Idaho National Laboratory und der American Critical Materials Corp. arbeiten gemeinsam an der Entwicklung einer umweltfreundlichen Methode zur Gewinnung dieses Materials. 

Gallium ist nicht die einzige Möglichkeit für die USA, die Mikrochip-Technologie zu verbessern – China kann mit einigen uneingeschränkten Materialien fortschrittlichere Chips herstellen, die in einigen Fällen Chips auf Galliumbasis übertreffen können. 

Im Oktober 2024 sicherte sich der Chiphersteller Wolfspeed durch den CHIPS Act eine Finanzierung von bis zu 750 Millionen US-Dollar für den Bau der größten Siliziumkarbid-Chip-Produktionsanlage (auch bekannt als SiC) in den USA. Diese Art von Chip ist teurer alsGalliumnitridist jedoch für bestimmte Anwendungen, wie beispielsweise Hochleistungs-Solarkraftwerke, vorzuziehen. 

Oliver sagte gegenüber Freethink: „Galliumnitrid funktioniert in bestimmten Spannungsbereichen sehr gutSiliziumkarbidschneidet bei anderen besser ab. Es hängt also von der Spannung und Leistung ab, mit der Sie es zu tun haben.“ 

Die USA finanzieren auch die Forschung an Mikrochips, die auf Halbleitern mit großer Bandlücke basieren, die eine Bandlücke von mehr als 3,4 eV aufweisen. Zu diesen Materialien gehören Diamant, Aluminiumnitrid und Bornitrid; Obwohl sie kostspielig und schwierig zu verarbeiten sind, könnten aus diesen Materialien hergestellte Chips eines Tages bemerkenswerte neue Funktionalitäten bei geringeren Umweltkosten bieten.

 „Wenn Sie über die Arten von Spannungen sprechen, die bei der Übertragung von Offshore-Windenergie in das Netz an Land eine Rolle spielen könnten,Galliumnitridist möglicherweise nicht geeignet, da es diese Spannung nicht verarbeiten kann“, erklärte Oliver. „Materialien wie Aluminiumnitrid, die eine große Bandlücke haben, können das.“