芯片材料：从硅到未来的半导体革命

材料可以根据其导电性进行分类——电流很容易在导体中流动，但不能在绝缘体中流动。

半导体介于两者之间：它们可以轻松导电，但只能在特定条件下导电。这使得它们在计算领域非常有用——利用半导体作为微芯片的基础，我们可以控制设备中的电流，从而实现所有神奇的功能。

自诞生以来，硅一直主宰着芯片和科技行业——因此被称为“硅谷”——但它可能不是未来科技的最佳材料。为了解释原因，让我们回顾一下芯片的工作原理、当今的技术挑战以及明天可能取代硅的材料。

微芯片上布满了微型开关，称为“晶体管”，它们将键盘敲击声和软件程序翻译成计算机语言：二进制代码。如果开关打开，电流可以流动——这是 1。如果开关关闭，电流就不能流动——这是 0。现代计算机所做的一切最终都归结于这些开关。

几十年来，我们通过增加微芯片上晶体管的密度来改进计算机——虽然第一个微芯片只有一个晶体管，但现在我们可以将数十亿个微型开关封装到指甲大小的芯片中。

第一个微芯片是由锗制成的，但科技行业很快意识到硅是制造芯片的更好的材料。

硅的主要优势在于储量丰富，价格便宜，但熔点也更高，这意味着硅在高温下性能更好。硅还易于与其他材料“掺杂”，工程师们可以通过多种方式调整其导电性。

通过不断缩小硅芯片中的晶体管来制造速度更快、功能更强大的计算机这一经典策略已经开始失效。

宾夕法尼亚大学工程学教授 Deep 在 2022 年接受《华尔街日报》采访时表示：“尽管硅可以在如此小的尺寸下工作，但进行一次计算所需的能源效率一直在上升，这使其极不可持续。”“从能源角度来看，它已经没有任何意义了。”

如果我们想继续改进我们的技术而不对环境造成进一步的破坏，我们就需要解决这个可持续性问题，而寻找解决方案的过程中，一些研究人员开始仔细研究由硅以外的半导体材料制成的芯片，其中包括氮化镓（一种由镓和氮制成的化合物）。

半导体的电导率各不相同，主要是因为所谓的“带隙”。

质子和中子聚集在原子核内，而电子则围绕原子核旋转。材料要想导电，电子就必须能够从“价带”跃迁到“导带”。促使电子移动所需的最小能量就是材料的“带隙”。

在导体中，这两个区域重叠，没有带隙——电子可以自由地穿过这些材料。在绝缘体中，带隙非常大，即使你对材料施加大量能量，电子也很难穿过它。

半导体处于中间位置。例如，硅的带隙为 1.12 电子伏特 (eV)。然而，氮化镓的带隙为 3.4 eV，这使其成为“宽带隙半导体”(WBGS)。

在电导率谱上，WBGS 更接近绝缘体，而且由于在这些材料中的两个波段之间移动电子需要更多的能量，因此由它们制成的芯片并不适用于极低压应用。

然而，WBGS 可以在比硅等半导体更高的电压、温度和能量频率下工作，并且使用它们的设备可以运行得更快、更高效。

剑桥氮化镓中心主任 告诉 ：“如果你把手放在手机充电器上，手会很热，这就是硅片浪费的能量。氮化镓充电器摸起来会感觉凉很多——浪费的能量少很多。”

镓和镓化合物已在科技领域应用了几十年，包括发光二极管、激光器、军用雷达、卫星、太阳能电池等等，但氮化镓目前是研究人员研究的重点，他们希望借此使科技更加强大、更加节能。

正如奥利弗所说，氮化镓手机充电器已经面世，研究人员也希望利用这种材料开发更快的电动汽车充电器，以解决消费者对电动汽车的主要问题。

“电动汽车等设备的充电速度要快得多，”奥利弗说。“任何需要便携式电源、需要快速充电的东西，氮化镓都具有潜在的重要意义。”

氮化镓还可以改进军用飞机和无人机的雷达，使它们能够从更远的距离识别目标和威胁，并提高数据中心服务器的效率，这对于使人工智能革命变得经济实惠和可持续至关重要。

那么，既然氮化镓在各方面都更胜一筹，而且已经存在了一段时间，为什么微芯片行业要围绕硅来构建呢？答案一如既往，是成本：氮化镓芯片更昂贵，制造起来也更复杂。降低成本并扩大生产规模需要时间，但美国政府正在努力帮助启动这个新兴行业。

2024 年 2 月，美国根据《芯片与科学法案》向半导体制造公司 授予15 亿美元，以扩大美国的芯片制造规模。

其中一部分资金将用于升级佛蒙特州的一家制造工厂，使其能够大批量生产氮化镓半导体——这在美国目前还没有实现。根据融资公告，这些半导体将用于电动汽车、数据中心、智能手机、电网和其他技术。

不过，即使美国能够恢复所有制造业的正常运转，如果没有镓，就无法生产氮化镓芯片，而目前的供应链并不稳定。

镓并不稀有——地壳中的镓含量几乎与铜一样多——但与铜不同，镓并不存在于可开采的大型矿床中。不过，在含有铝和锌的矿石中也可以发现少量镓，因此在加工岩石以获取这些元素时会收集镓。

截至 2022 年，中国生产的镓约占全球产量的90% 。与此同时，美国自 1980 年代以来就没有再生产过镓——美国 53% 的镓从中国进口，另一半从其他国家进口。

2023 年 7 月，中国宣布将出于国家安全原因开始限制镓和另一种材料锗的出口。

中国的规定并不禁止向美国出口镓，但要求潜在买家申请许可证，并获得中国政府的批准。

美国国防承包商几乎肯定会被拒绝，特别是如果他们在中国的“不可靠实体名单”上，但到目前为止，这些限制对大多数芯片制造商的影响似乎是镓价格上涨和订单交货时间延长，而不是短缺，不过中国未来可能会选择加强对这种材料的控制。

美国早就知道在关键矿产方面严重依赖中国是有风险的——在 2010 年与日本的争端期间，中国曾暂时禁止向日本出口稀土金属——当中国在 2023 年宣布限制措施时，美国已经在寻找巩固其供应链的方法。

可选方案包括从其他国家（如加拿大）进口镓（如果这些国家能够充分提高产量）以及从回收的电子垃圾中回收这种材料——美国国防部高级研究计划局正在资助这方面的研究。

建立国内原料镓供应也是一个选择。

总部位于荷兰的 表示，其位于田纳西州的锌厂可开采出足够的镓，满足美国当前 80% 的需求，但建造该加工厂的成本高达 1.9 亿美元——目前该公司正在与美国政府就扩建资金进行谈判。

德克萨斯州朗德托普的矿床也是镓的潜在来源。2021 年，美国地质调查局报告称，该矿床估计含有36,500 吨镓——作为参考，中国在 2022 年生产了750 吨镓。

通常情况下，镓的含量很少，而且分布极其分散，但 2024 年 3 月，美国关键材料公司在蒙大拿州苦根国家森林发现了一个含有相对高浓度优质镓的矿床。

目前，德克萨斯州和蒙大拿州的镓都尚未被提取，但爱达荷国家实验室和美国关键材料公司的研究人员正在合作开发一种环保的方式来获取这种材料。

镓并不是美国改进微芯片的唯一选择——中国可以使用一些不受控制的材料来制造更先进的芯片，在某些情况下，它们的表现甚至可能优于基于镓的芯片。

2024 年 10 月，芯片制造商 通过《CHIPS 法案》获得高达 7.5 亿美元的资金，用于建设美国最大的碳化硅（也称为 WBGS）芯片制造工厂，这种芯片比氮化镓更昂贵，但对于某些应用（例如高功率太阳能发电场）来说是更可取的。

奥利弗告诉 ：“在某些电压范围内，氮化镓效果非常好，而在其他电压范围内，碳化硅效果更好。所以这取决于你要处理的电压和功率。”

美国还资助了超宽带隙半导体的微芯片研究，这种半导体的带隙大于 3.4 eV。这类材料包括金刚石、氮化铝和氮化硼，虽然这些材料价格昂贵且难以加工，但用它们制成的芯片有朝一日可以以更低的环境成本释放出惊人的新功能。

“如果你谈论的是海上风力发电传输并转换到陆上电网时可能需要处理的电压类型，氮化镓可能无法处理，因为它无法处理这种电压，”奥利弗说。“氮化铝等超宽带隙材料可以。”

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