सिलिकॉन सेमीकंडक्टर चिप्स की भविष्य की संभावनाओं की खोज

प्रौद्योगिकी में अर्धचालकों की भूमिका क्या परिभाषित करती है?

सामग्रियों को उनकी विद्युत चालकता के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है - कंडक्टरों में करंट आसानी से प्रवाहित होता है लेकिन इंसुलेटर में नहीं। अर्धचालक बीच में आते हैं: वे विशिष्ट परिस्थितियों में बिजली का संचालन कर सकते हैं, जिससे वे कंप्यूटिंग में बेहद उपयोगी हो जाते हैं। माइक्रोचिप्स की नींव के रूप में अर्धचालकों का उपयोग करके, हम उपकरणों के भीतर बिजली के प्रवाह को नियंत्रित कर सकते हैं, जिससे उन सभी उल्लेखनीय कार्यों को सक्षम किया जा सकता है जिन पर हम आज भरोसा करते हैं।

उनकी स्थापना के बाद से,सिलिकॉनचिप और प्रौद्योगिकी उद्योग पर हावी हो गया है, जिससे "सिलिकॉन वैली" शब्द का जन्म हुआ है। हालाँकि, यह भविष्य की प्रौद्योगिकियों के लिए सबसे उपयुक्त सामग्री नहीं हो सकती है। इसे समझने के लिए, हमें फिर से देखना होगा कि चिप्स कैसे काम करते हैं, वर्तमान तकनीकी चुनौतियाँ और वे सामग्रियाँ जो भविष्य में सिलिकॉन की जगह ले सकती हैं।

माइक्रोचिप्स इनपुट का कंप्यूटर भाषा में अनुवाद कैसे करते हैं?

माइक्रोचिप्स ट्रांजिस्टर नामक छोटे स्विच से भरे होते हैं, जो कीबोर्ड इनपुट और सॉफ्टवेयर प्रोग्राम को कंप्यूटर भाषा-बाइनरी कोड में अनुवादित करते हैं। जब कोई स्विच खुला होता है, तो धारा प्रवाहित हो सकती है, जो '1' का प्रतिनिधित्व करती है; बंद होने पर, यह '0' का प्रतिनिधित्व नहीं कर सकता। आधुनिक कंप्यूटर जो कुछ भी करते हैं वह अंततः इन स्विचों पर ही निर्भर होता है।

दशकों से, हमने माइक्रोचिप्स पर ट्रांजिस्टर का घनत्व बढ़ाकर कंप्यूटिंग शक्ति में सुधार किया है। जबकि पहले माइक्रोचिप में केवल एक ट्रांजिस्टर होता था, आज हम इन अरबों छोटे स्विचों को एक नाखून के आकार के चिप्स में समाहित कर सकते हैं।

पहला माइक्रोचिप जर्मेनियम से बना था, लेकिन प्रौद्योगिकी उद्योग को जल्द ही इसका एहसास हो गयासिलिकॉनचिप निर्माण के लिए एक बेहतर सामग्री थी। सिलिकॉन के प्राथमिक लाभों में इसकी प्रचुरता, कम लागत और उच्च गलनांक शामिल हैं, जिसका अर्थ है कि यह ऊंचे तापमान पर बेहतर प्रदर्शन करता है। इसके अतिरिक्त, सिलिकॉन को अन्य सामग्रियों के साथ "डोप" करना आसान है, जिससे इंजीनियरों को इसकी चालकता को विभिन्न तरीकों से समायोजित करने की अनुमति मिलती है।

आधुनिक कंप्यूटिंग में सिलिकॉन को किन चुनौतियों का सामना करना पड़ता है?

ट्रांजिस्टर को लगातार सिकोड़कर तेज़, अधिक शक्तिशाली कंप्यूटर बनाने की क्लासिक रणनीतिसिलिकॉनचिप्स ख़राब होने लगा है. पेंसिल्वेनिया विश्वविद्यालय में इंजीनियरिंग के प्रोफेसर दीप जरीवाला ने 2022 में द वॉल स्ट्रीट जर्नल के साथ एक साक्षात्कार में कहा, “जबकि सिलिकॉन इतने छोटे आयामों पर काम कर सकता है, गणना के लिए आवश्यक ऊर्जा दक्षता बढ़ रही है, जिससे यह बेहद अस्थिर हो गया है। ऊर्जा के दृष्टिकोण से, इसका अब कोई मतलब नहीं रह गया है।”

पर्यावरण को और अधिक नुकसान पहुँचाए बिना अपनी प्रौद्योगिकी में सुधार जारी रखने के लिए, हमें इस स्थिरता मुद्दे का समाधान करना होगा। इस खोज में, कुछ शोधकर्ता सिलिकॉन के अलावा अर्धचालक सामग्रियों से बने चिप्स की बारीकी से जांच कर रहे हैं, जिसमें गैलियम नाइट्राइड (GaN), गैलियम और नाइट्रोजन से बना एक यौगिक शामिल है।

गैलियम नाइट्राइड अर्धचालक सामग्री के रूप में ध्यान क्यों आकर्षित कर रहा है?

अर्धचालकों की विद्युत चालकता मुख्य रूप से "बैंडगैप" के कारण भिन्न होती है। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन नाभिक में एकत्रित होते हैं, जबकि इलेक्ट्रॉन इसके चारों ओर परिक्रमा करते हैं। बिजली का संचालन करने के लिए किसी सामग्री के लिए, इलेक्ट्रॉनों को "वैलेंस बैंड" से "चालन बैंड" तक कूदने में सक्षम होना चाहिए। इस संक्रमण के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा सामग्री के बैंडगैप को परिभाषित करती है।

कंडक्टरों में, ये दोनों क्षेत्र ओवरलैप होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कोई बैंडगैप नहीं होता है - इलेक्ट्रॉन इन सामग्रियों से स्वतंत्र रूप से गुजर सकते हैं। इंसुलेटर में, बैंडगैप बहुत बड़ा होता है, जिससे इलेक्ट्रॉनों के लिए महत्वपूर्ण ऊर्जा लागू होने पर भी पार करना मुश्किल हो जाता है। सिलिकॉन की तरह अर्धचालक, बीच का रास्ता अपनाते हैं;सिलिकॉनइसमें 1.12 इलेक्ट्रॉन वोल्ट (eV) का बैंडगैप है, जबकि गैलियम नाइट्राइड में 3.4 eV का बैंडगैप है, जो इसे "वाइड बैंडगैप सेमीकंडक्टर" (WBGS) के रूप में वर्गीकृत करता है।

डब्ल्यूबीजीएस सामग्रियां चालकता स्पेक्ट्रम में इंसुलेटर के करीब हैं, जिससे इलेक्ट्रॉनों को दो बैंडों के बीच स्थानांतरित करने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जिससे वे बहुत कम वोल्टेज अनुप्रयोगों के लिए अनुपयुक्त हो जाते हैं। हालाँकि, WBGS उच्च वोल्टेज, तापमान और ऊर्जा आवृत्तियों पर काम कर सकता हैसिलिकॉन आधारितअर्धचालक, उनका उपयोग करने वाले उपकरणों को तेजी से और अधिक कुशलता से चलाने की अनुमति देते हैं।

कैम्ब्रिज GaN सेंटर के निदेशक राचेल ओलिवर ने फ्रीथिंक को बताया, “यदि आप फोन चार्जर पर अपना हाथ रखेंगे, तो यह गर्म लगेगा; यह सिलिकॉन चिप्स द्वारा बर्बाद की गई ऊर्जा है। GaN चार्जर छूने पर बहुत ठंडे लगते हैं—इसमें काफी कम ऊर्जा बर्बाद होती है।''

गैलियम और इसके यौगिकों का उपयोग तकनीकी उद्योग में दशकों से किया जाता रहा है, जिसमें प्रकाश उत्सर्जक डायोड, लेजर, सैन्य रडार, उपग्रह और सौर सेल शामिल हैं। तथापि,गैलियम नाइट्राइडवर्तमान में उन शोधकर्ताओं का ध्यान केंद्रित है जो प्रौद्योगिकी को अधिक शक्तिशाली और ऊर्जा-कुशल बनाने की उम्मीद करते हैं।

गैलियम नाइट्राइड का भविष्य पर क्या प्रभाव पड़ता है?

जैसा कि ओलिवर ने उल्लेख किया है, GaN फ़ोन चार्जर पहले से ही बाज़ार में हैं, और शोधकर्ताओं का लक्ष्य इस सामग्री का लाभ उठाकर तेज़ इलेक्ट्रिक वाहन चार्जर विकसित करना है, जिससे इलेक्ट्रिक वाहनों के संबंध में एक महत्वपूर्ण उपभोक्ता चिंता का समाधान किया जा सके। ओलिवर ने कहा, "इलेक्ट्रिक वाहन जैसे उपकरण अधिक तेज़ी से चार्ज हो सकते हैं।" "किसी भी चीज़ के लिए जिसके लिए पोर्टेबल पावर और तेज़ चार्जिंग की आवश्यकता होती है, गैलियम नाइट्राइड में महत्वपूर्ण क्षमता है।"

गैलियम नाइट्राइडसैन्य विमानों और ड्रोनों की रडार प्रणालियों को भी बढ़ा सकता है, जिससे उन्हें अधिक दूरी से लक्ष्य और खतरों की पहचान करने और डेटा सेंटर सर्वर की दक्षता में सुधार करने की अनुमति मिलती है, जो एआई क्रांति को किफायती और टिकाऊ बनाने के लिए महत्वपूर्ण है।

मान लें किगैलियम नाइट्राइडकई पहलुओं में उत्कृष्टता और कुछ समय से मौजूद है, माइक्रोचिप उद्योग सिलिकॉन के इर्द-गिर्द क्यों बना हुआ है? उत्तर, हमेशा की तरह, लागत में निहित है: GaN चिप्स अधिक महंगे हैं और निर्माण के लिए जटिल हैं। लागत कम करने और उत्पादन बढ़ाने में समय लगेगा, लेकिन अमेरिकी सरकार इस उभरते उद्योग को गति देने के लिए सक्रिय रूप से काम कर रही है।

फरवरी 2024 में, संयुक्त राज्य अमेरिका ने घरेलू चिप उत्पादन का विस्तार करने के लिए CHIPS और विज्ञान अधिनियम के तहत सेमीकंडक्टर निर्माण कंपनी ग्लोबलफाउंड्रीज़ को 1.5 बिलियन डॉलर आवंटित किए।

 इन निधियों के एक हिस्से का उपयोग वर्मोंट में एक विनिर्माण सुविधा को उन्नत करने के लिए किया जाएगा, जिससे यह बड़े पैमाने पर उत्पादन करने में सक्षम हो सकेगैलियम नाइट्राइड(GaN) सेमीकंडक्टर, एक ऐसी क्षमता जो वर्तमान में अमेरिका में महसूस नहीं की गई है। फंडिंग घोषणा के अनुसार, इन सेमीकंडक्टर का उपयोग इलेक्ट्रिक वाहनों, डेटा सेंटर, स्मार्टफोन, पावर ग्रिड और अन्य प्रौद्योगिकियों में किया जाएगा। 

हालाँकि, भले ही अमेरिका अपने विनिर्माण क्षेत्र में सामान्य परिचालन बहाल करने में सफल हो जाए, फिर भी उत्पादनगण मनचिप्स गैलियम की स्थिर आपूर्ति पर निर्भर है, जिसकी फिलहाल कोई गारंटी नहीं है। 

जबकि गैलियम दुर्लभ नहीं है - यह पृथ्वी की पपड़ी में तांबे के बराबर स्तर पर मौजूद है - यह तांबे जैसे बड़े, खनन योग्य भंडार में मौजूद नहीं है। बहरहाल, एल्यूमीनियम और जस्ता युक्त अयस्कों में गैलियम की थोड़ी मात्रा पाई जा सकती है, जिससे इन तत्वों के प्रसंस्करण के दौरान इसके संग्रह की अनुमति मिलती है। 

2022 तक, दुनिया का लगभग 90% गैलियम चीन में उत्पादित किया गया था। इस बीच, अमेरिका ने 1980 के दशक से गैलियम का उत्पादन नहीं किया है, इसका 53% गैलियम चीन से आयात किया जाता है और शेष अन्य देशों से प्राप्त किया जाता है। 

जुलाई 2023 में, चीन ने घोषणा की कि वह राष्ट्रीय सुरक्षा कारणों से गैलियम और एक अन्य सामग्री, जर्मेनियम के निर्यात को प्रतिबंधित करना शुरू कर देगा। 

चीन के नियम यू.एस. को गैलियम निर्यात पर सीधे प्रतिबंध नहीं लगाते हैं, लेकिन उन्हें संभावित खरीदारों को परमिट के लिए आवेदन करने और चीनी सरकार से अनुमोदन प्राप्त करने की आवश्यकता होती है। 

अमेरिकी रक्षा ठेकेदारों को अस्वीकृति का सामना करना लगभग तय है, खासकर यदि वे चीन की "अविश्वसनीय इकाई सूची" में सूचीबद्ध हैं। अब तक, इन प्रतिबंधों के परिणामस्वरूप गैलियम की कीमतों में वृद्धि हुई है और अधिकांश चिप निर्माताओं के लिए ऑर्डर डिलीवरी समय में वृद्धि हुई है, न कि पूरी तरह से कमी हुई है, हालांकि चीन भविष्य में इस सामग्री पर अपना नियंत्रण कड़ा करने का विकल्प चुन सकता है। 

अमेरिका ने लंबे समय से महत्वपूर्ण खनिजों के लिए चीन पर अपनी भारी निर्भरता से जुड़े जोखिमों को पहचाना है - 2010 में जापान के साथ विवाद के दौरान, चीन ने अस्थायी रूप से दुर्लभ पृथ्वी धातुओं के निर्यात पर प्रतिबंध लगा दिया था। जब चीन ने 2023 में अपने प्रतिबंधों की घोषणा की, तब तक अमेरिका पहले से ही अपनी आपूर्ति श्रृंखलाओं को मजबूत करने के तरीके तलाश रहा था। 

संभावित विकल्पों में कनाडा जैसे अन्य देशों से गैलियम आयात करना (यदि वे पर्याप्त रूप से उत्पादन बढ़ा सकते हैं), और इलेक्ट्रॉनिक कचरे से सामग्री का पुनर्चक्रण करना शामिल है - इस क्षेत्र में अनुसंधान को अमेरिकी रक्षा विभाग की उन्नत अनुसंधान परियोजना एजेंसी द्वारा वित्त पोषित किया जा रहा है। 

गैलियम की घरेलू आपूर्ति स्थापित करना भी एक विकल्प है। 

नीदरलैंड स्थित कंपनी नायरस्टार ने संकेत दिया कि टेनेसी में उसका जस्ता संयंत्र वर्तमान अमेरिकी मांग का 80% पूरा करने के लिए पर्याप्त गैलियम निकाल सकता है, लेकिन प्रसंस्करण सुविधा के निर्माण में 190 मिलियन डॉलर तक की लागत आएगी। कंपनी वर्तमान में विस्तार निधि के लिए अमेरिकी सरकार के साथ बातचीत कर रही है।

संभावित गैलियम स्रोतों में राउंड टॉप, टेक्सास में जमा राशि भी शामिल है। 2021 में, अमेरिकी भूवैज्ञानिक सर्वेक्षण ने अनुमान लगाया कि इस जमा में लगभग 36,500 टन गैलियम है - तुलनात्मक रूप से, चीन ने 2022 में 750 टन गैलियम का उत्पादन किया। 

आमतौर पर, गैलियम अल्प मात्रा में होता है और अत्यधिक फैला हुआ होता है; हालाँकि, मार्च 2024 में, अमेरिकन क्रिटिकल मटेरियल्स कार्पोरेशन ने मोंटाना में कूटेनाई राष्ट्रीय वन में उच्च गुणवत्ता वाले गैलियम की अपेक्षाकृत उच्च सांद्रता वाले भंडार की खोज की। 

वर्तमान में, टेक्सास और मोंटाना से गैलियम निकाला जाना बाकी है, लेकिन इडाहो नेशनल लेबोरेटरी और अमेरिकन क्रिटिकल मैटेरियल्स कॉर्प के शोधकर्ता इस सामग्री को प्राप्त करने के लिए पर्यावरण के अनुकूल तरीका विकसित करने के लिए सहयोग कर रहे हैं। 

माइक्रोचिप प्रौद्योगिकी में सुधार के लिए गैलियम अमेरिका के लिए एकमात्र विकल्प नहीं है - चीन कुछ अनियंत्रित सामग्रियों का उपयोग करके अधिक उन्नत चिप्स का उत्पादन कर सकता है, जो कुछ मामलों में गैलियम-आधारित चिप्स से बेहतर प्रदर्शन कर सकता है। 

अक्टूबर 2024 में, चिप निर्माता वोल्फस्पीड ने अमेरिका में सबसे बड़ी सिलिकॉन कार्बाइड (जिसे SiC भी कहा जाता है) चिप निर्माण सुविधा बनाने के लिए CHIPS अधिनियम के माध्यम से $750 मिलियन तक की फंडिंग हासिल की। ​​इस प्रकार की चिप इससे अधिक महंगी हैगैलियम नाइट्राइडलेकिन कुछ अनुप्रयोगों के लिए बेहतर है, जैसे उच्च-शक्ति सौर ऊर्जा संयंत्र। 

ओलिवर ने फ्रीथिंक को बताया, "गैलियम नाइट्राइड कुछ वोल्टेज रेंज पर बहुत अच्छा प्रदर्शन करता हैसिलिकन कार्बाइडदूसरों पर बेहतर प्रदर्शन करता है। तो यह उस वोल्टेज और बिजली पर निर्भर करता है जिसके साथ आप काम कर रहे हैं।" 

अमेरिका वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर्स पर आधारित माइक्रोचिप्स में अनुसंधान को भी वित्त पोषित कर रहा है, जिसका बैंडगैप 3.4 eV से अधिक है। इन सामग्रियों में हीरा, एल्यूमीनियम नाइट्राइड और बोरान नाइट्राइड शामिल हैं; हालाँकि इन्हें संसाधित करना महंगा और चुनौतीपूर्ण है, फिर भी इन सामग्रियों से बने चिप्स एक दिन कम पर्यावरणीय लागत पर उल्लेखनीय नई कार्यक्षमताएँ प्रदान कर सकते हैं।

 "यदि आप वोल्टेज के प्रकारों के बारे में बात कर रहे हैं जो अपतटीय पवन ऊर्जा को तटवर्ती ग्रिड तक संचारित करने में शामिल हो सकते हैं,गैलियम नाइट्राइडउपयुक्त नहीं हो सकता है, क्योंकि यह उस वोल्टेज को संभाल नहीं सकता है,'' ओलिवर ने समझाया। "एल्यूमीनियम नाइट्राइड जैसी सामग्रियां, जो वाइड-बैंडगैप हैं, हो सकती हैं।"