シリコン半導体チップの将来性を探る

テクノロジーにおける半導体の役割は何によって定義されますか?

材料はその電気伝導率に基づいて分類できます。電流は導体では容易に流れますが、絶縁体では容易に流れません。半導体はその中間に位置します。半導体は特定の条件下で電気を通すことができるため、コンピューティングに非常に役立ちます。マイクロチップの基盤として半導体を利用することで、デバイス内の電気の流れを制御し、今日私たちが依存しているすべての注目すべき機能を可能にすることができます。

創業以来、シリコンはチップおよびテクノロジー業界を支配し、「シリコンバレー」という言葉につながりました。ただし、将来のテクノロジーには最適な材料ではない可能性があります。これを理解するには、チップがどのように機能するか、現在の技術的課題、将来的にシリコンに代わる可能性のある材料を再検討する必要があります。

マイクロチップはどのようにして入力をコンピューター言語に翻訳するのでしょうか?

マイクロチップにはトランジスタと呼ばれる小さなスイッチが詰め込まれており、キーボード入力やソフトウェア プログラムをコンピューター言語 (バイナリ コード) に変換します。スイッチが開いているときは電流が流れ、「1」を表します。閉じている場合はそれができず、「0」を表します。現代のコンピューターが行うことはすべて、最終的にはこれらのスイッチに帰着します。

何十年にもわたって、私たちはマイクロチップ上のトランジスタの密度を高めることで計算能力を向上させてきました。最初のマイクロチップにはトランジスタが 1 つだけ含まれていましたが、現在ではこれらの小さなスイッチを数十億個も爪ほどの大きさのチップにカプセル化することができます。

最初のマイクロチップはゲルマニウムで作られていましたが、テクノロジー業界はすぐにそれを認識しました。シリコンチップ製造に最適な材料でした。シリコンの主な利点には、その豊富さ、低コスト、融点が高いことが含まれます。つまり、高温でのパフォーマンスが向上します。さらに、シリコンは他の材料を簡単に「ドープ」できるため、エンジニアはその導電性をさまざまな方法で調整できます。

シリコンは現代のコンピューティングにおいてどのような課題に直面していますか?

トランジスタを継続的に縮小することで、より高速で強力なコンピュータを作成するという古典的な戦略。シリコンチップスは衰え始めています。ペンシルベニア大学の工学教授ディープ・ジャリワラ氏は、2022年のウォール・ストリート・ジャーナルとのインタビューで、「シリコンはこれほど小さな寸法でも動作できるが、計算に必要なエネルギー効率が上昇しており、非常に持続不可能になっている」と述べた。エネルギーの観点から見ると、それはもはや意味がありません。」

環境にこれ以上悪影響を与えることなく技術を向上させ続けるためには、この持続可能性の問題に対処する必要があります。この追求において、一部の研究者は、ガリウムと窒素から作られる化合物である窒化ガリウム（GaN）など、シリコン以外の半導体材料で作られたチップを詳しく調べています。

なぜ窒化ガリウムが半導体材料として注目されているのでしょうか？

半導体の電気伝導度は、主に「バンドギャップ」として知られるものによって変化します。陽子と中性子は原子核内に集まり、電子は原子核の周りを周回します。材料が電気を通すためには、電子が「価電子帯」から「伝導帯」にジャンプできなければなりません。この遷移に必要な最小エネルギーが材料のバンドギャップを定義します。

導体では、これら 2 つの領域が重なっているため、バンドギャップがなくなり、電子はこれらの材料を自由に通過できます。絶縁体ではバンドギャップが非常に大きいため、かなりのエネルギーが加えられた場合でも電子が通過することが困難になります。半導体は、シリコンと同様に中間点を占めます。シリコンバンドギャップは 1.12 電子ボルト (eV) ですが、窒化ガリウムはバンドギャップ 3.4 eV を誇り、「ワイドバンドギャップ半導体」(WBGS) に分類されます。

WBGS 材料は、導電率スペクトルが絶縁体に近いため、電子が 2 つのバンド間を移動するためにより多くのエネルギーを必要とするため、超低電圧アプリケーションには適していません。ただし、WBGS は、WBGS よりも高い電圧、温度、エネルギー周波数で動作できます。シリコンベース半導体を利用するデバイスがより高速かつ効率的に動作できるようになります。

ケンブリッジ GaN センター所長のレイチェル・オリバー氏は Freethink にこう語った。それがシリコンチップによって無駄にされるエネルギーです。 GaN 充電器は触るとはるかに冷たく感じられ、無駄なエネルギーが大幅に減ります。」

ガリウムとその化合物は、発光ダイオード、レーザー、軍事レーダー、衛星、太陽電池などのテクノロジー産業で数十年にわたって利用されてきました。しかし、窒化ガリウム現在、テクノロジーをより強力でエネルギー効率の高いものにしたいと考えている研究者が注目しています。

窒化ガリウムは将来にどのような影響を及ぼしますか?

オリバー氏が述べたように、GaN スマートフォン充電器はすでに市場に出ており、研究者らはこの材料を活用してより高速な電気自動車充電器を開発し、電気自動車に関する消費者の重大な懸念に対処することを目指しています。 「電気自動車のようなデバイスは、より早く充電できます」とオリバー氏は言います。 「ポータブル電源と急速充電を必要とするあらゆるものにとって、窒化ガリウムには大きな可能性があります。」

窒化ガリウムまた、軍用機やドローンのレーダー システムを強化して、より遠くから目標や脅威を特定できるようになり、AI 革命を手頃な価格で持続可能なものにするために重要なデータ センター サーバーの効率を向上させることもできます。

とすれば窒化ガリウム多くの面で優れており、かなり前から存在していますが、なぜマイクロチップ業界はシリコンを中心に構築され続けるのでしょうか?いつものように、答えはコストにあります。GaN チップはより高価で、製造が複雑です。コスト削減と生産規模の拡大には時間がかかりますが、米国政府はこの新興産業の活性化に積極的に取り組んでいます。

2024年2月、米国は国内チップ生産拡大のため、CHIPSおよび科学法に基づき半導体製造会社グローバルファウンドリーズに15億ドルを割り当てた。

 これらの資金の一部は、バーモント州の製造施設をアップグレードし、大量生産を可能にするために使用されます。窒化ガリウム(GaN) 半導体は、現在米国では実現されていない機能です。資金調達の発表によると、これらの半導体は電気自動車、データセンター、スマートフォン、送電網、その他のテクノロジーで利用される予定です。 

しかし、たとえ米国が製造業全体で正常な操業を回復できたとしても、GaNチップの生産はガリウムの安定した供給に依存しますが、現時点ではそれは保証されていません。 

ガリウムは珍しいものではなく、銅と同等のレベルで地殻中に存在しますが、銅のような大規模な採掘可能な鉱床には存在しません。それにもかかわらず、アルミニウムと亜鉛を含む鉱石中には微量のガリウムが含まれており、これらの元素の処理中にガリウムを収集することができます。 

2022 年の時点で、世界のガリウムの約 90% は中国で生産されています。一方、米国は1980年代以降ガリウムを生産しておらず、ガリウムの53％は中国から輸入され、残りは他国から調達されている。 

2023年7月、中国は国家安全保障上の理由からガリウムと別の材料であるゲルマニウムの輸出制限を開始すると発表した。 

中国の規制は米国へのガリウム輸出を完全に禁止するものではないが、潜在的な買い手には許可を申請し、中国政府の承認を得ることが求められている。 

米国の防衛請負業者は、特に中国の「信頼できない企業リスト」に記載されている場合、拒否に直面するのはほぼ確実だ。これまでのところ、これらの制限は、完全な不足ではなく、ほとんどのチップメーカーにとってガリウム価格の上昇と注文納期の延長につながっているようだが、将来的には中国がこの材料に対する管理を強化することを選択する可能性がある。 

米国は重要な鉱物について中国に大きく依存していることに伴うリスクを長年認識しており、2010年の日本との紛争中に中国は一時的にレアアース金属の輸出を禁止した。中国が2023年に規制を発表するまでに、米国はすでにサプライチェーンを強化する方法を模索していた。 

考えられる代替策としては、カナダなどの他国からガリウムを輸入すること（生産量を十分に増やすことができれば）や、電子廃棄物から材料をリサイクルすることが挙げられる。この分野の研究には、米国国防総省高等研究計画局が資金提供している。 

ガリウムの国内供給を確立することも選択肢です。 

オランダに本拠を置く企業ニルスターは、テネシー州にある同社の亜鉛工場では現在の米国需要の80％を満たすのに十分なガリウムを抽出できるが、処理施設の建設には最大1億9000万ドルの費用がかかると示唆した。同社は現在、拡大資金について米国政府と交渉している。

ガリウム源の可能性としては、テキサス州ラウンドトップの鉱床も含まれます。 2021 年に米国地質調査所は、この鉱床には約 36,500 トンのガリウムが含まれていると推定しました。これに対し、中国は 2022 年に 750 トンのガリウムを生産しました。 

通常、ガリウムは微量で存在し、非常に分散しています。しかし、2024 年 3 月、アメリカン クリティカル マテリアルズ社は、モンタナ州のクーテナイ国有森林で高品質のガリウムを比較的高濃度に含む鉱床を発見しました。 

現在、テキサス州とモンタナ州のガリウムはまだ抽出されていませんが、アイダホ国立研究所とアメリカン・クリティカル・マテリアルズ社の研究者らは、この材料を入手する環境に優しい方法の開発に協力しています。 

米国がマイクロチップ技術を向上させるための選択肢はガリウムだけではない。中国は制約のない材料を使ってより高度なチップを製造でき、場合によってはガリウムベースのチップを上回る可能性がある。 

2024年10月、チップメーカーのウルフスピード社は、米国最大の炭化ケイ素（SiCとしても知られる）チップ製造施設を建設するため、CHIPS法を通じて最大7億5000万ドルの資金を確保した。このタイプのチップは、他のチップよりも高価である。窒化ガリウムただし、高出力太陽光発電所などの特定の用途には推奨されます。 

オリバー氏は Freethink に対し、「窒化ガリウムは特定の電圧範囲では非常に優れた性能を発揮しますが、炭化ケイ素他のところではより良いパフォーマンスを発揮します。したがって、それは扱う電圧と電力によって異なります。」 

米国はまた、バンドギャップが3.4 eVを超えるワイドバンドギャップ半導体をベースにしたマイクロチップの研究に資金を提供している。これらの材料には、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、窒化ホウ素が含まれます。これらの材料は高価で加工が難しいものの、これらの材料から作られたチップは、いつか、より低い環境コストで驚くべき新機能を提供する可能性があります。

 「洋上風力発電を陸上送電網に送電する際に関係する可能性のある電圧の種類について話しているのであれば、窒化ガリウムその電圧を処理できないため、適切ではない可能性があります」とオリバー氏は説明しました。 「バンドギャップの広い窒化アルミニウムのような材料は可能です。」