실리콘 반도체 칩의 미래 전망 탐구

기술 분야에서 반도체의 역할을 정의하는 것은 무엇입니까?

재료는 전기 전도도에 따라 분류될 수 있습니다. 전류는 도체에서는 쉽게 흐르지만 절연체에서는 흐르지 않습니다. 반도체는 그 사이에 속합니다. 특정 조건에서 전기를 전도할 수 있어 컴퓨팅에 매우 유용합니다. 반도체를 마이크로칩의 기반으로 활용함으로써 우리는 장치 내의 전기 흐름을 제어하여 오늘날 우리가 의존하는 모든 놀라운 기능을 활성화할 수 있습니다.

창립 이래,규소반도체와 기술 산업을 장악해 '실리콘 밸리'라는 말이 탄생했습니다. 그러나 미래 기술에 가장 적합한 소재는 아닐 수도 있다. 이를 이해하려면 칩의 기능, 현재의 기술적 과제, 미래에 실리콘을 대체할 수 있는 재료를 다시 살펴봐야 합니다.

마이크로칩은 입력을 컴퓨터 언어로 어떻게 변환합니까?

마이크로칩은 키보드 입력과 소프트웨어 프로그램을 컴퓨터 언어(바이너리 코드)로 변환하는 트랜지스터라는 작은 스위치로 채워져 있습니다. 스위치가 열리면 '1'을 나타내는 전류가 흐를 수 있습니다. 닫히면 '0'을 나타낼 수 없습니다. 현대 컴퓨터가 수행하는 모든 작업은 궁극적으로 이러한 스위치로 귀결됩니다.

수십 년 동안 우리는 마이크로칩의 트랜지스터 밀도를 높여 컴퓨팅 성능을 향상시켜 왔습니다. 최초의 마이크로칩에는 트랜지스터가 하나만 포함되어 있었지만 오늘날에는 손톱 크기의 칩에 수십억 개의 작은 스위치를 캡슐화할 수 있습니다.

최초의 마이크로칩은 게르마늄으로 만들어졌지만 기술 업계에서는 이를 빨리 깨달았습니다.규소칩 제조에 탁월한 소재였습니다. 실리콘의 주요 장점은 풍부함, 저렴한 비용, 더 높은 융점을 포함하며 이는 높은 온도에서 더 나은 성능을 발휘한다는 것을 의미합니다. 또한 실리콘은 다른 재료와 함께 쉽게 "도핑"되므로 엔지니어는 다양한 방법으로 전도성을 조정할 수 있습니다.

현대 컴퓨팅에서 실리콘은 어떤 과제에 직면하고 있나요?

트랜지스터의 크기를 지속적으로 줄여 더 빠르고 강력한 컴퓨터를 만드는 고전적인 전략입니다.규소칩이 흔들리기 시작했습니다. 펜실베니아 대학의 공학 교수인 Deep Jariwala는 2022년 The Wall Street Journal과의 인터뷰에서 다음과 같이 말했습니다. “실리콘은 이렇게 작은 크기에서 작동할 수 있지만 계산에 필요한 에너지 효율성이 높아져 지속 불가능해졌습니다. 에너지 관점에서 볼 때 이는 더 이상 말이 되지 않습니다.”

환경에 더 이상 해를 끼치지 않고 기술을 지속적으로 개선하려면 이러한 지속 가능성 문제를 해결해야 합니다. 이를 위해 일부 연구자들은 갈륨과 질소로 만든 화합물인 질화갈륨(GaN)을 포함하여 실리콘 이외의 반도체 재료로 만든 칩을 면밀히 조사하고 있습니다.

질화갈륨이 반도체 소재로 주목받는 이유는 무엇일까?

반도체의 전기 전도성은 주로 "밴드갭"으로 인해 다양합니다. 양성자와 중성자는 핵 안에 모여 있고, 전자는 그 주위를 공전합니다. 물질이 전기를 전도하려면 전자가 "원자대"에서 "전도대"로 이동할 수 있어야 합니다. 이 전이에 필요한 최소 에너지는 재료의 밴드갭을 정의합니다.

도체에서는 이 두 영역이 겹쳐서 밴드갭이 발생하지 않습니다. 즉, 전자가 이러한 물질을 자유롭게 통과할 수 있습니다. 절연체에서는 밴드갭이 매우 커서 상당한 에너지가 가해져도 전자가 통과하기 어렵습니다. 실리콘과 같은 반도체는 중간 지점을 차지합니다.규소1.12전자볼트(eV)의 밴드갭을 갖고 있는 반면, 질화갈륨은 3.4eV의 밴드갭을 자랑해 '와이드 밴드갭 반도체(WBGS)'로 분류된다.

WBGS 재료는 전도도 스펙트럼에서 절연체에 더 가깝기 때문에 전자가 두 대역 사이를 이동하는 데 더 많은 에너지가 필요하므로 매우 낮은 전압 응용 분야에는 적합하지 않습니다. 그러나 WBGS는 WBGS보다 더 높은 전압, 온도 및 에너지 주파수에서 작동할 수 있습니다.실리콘 기반반도체를 활용하여 장치를 더 빠르고 효율적으로 실행할 수 있습니다.

Cambridge GaN Centre 소장인 Rachel Oliver는 Freethink에 다음과 같이 말했습니다. “휴대폰 충전기에 손을 올리면 뜨겁게 느껴질 것입니다. 그것은 실리콘 칩이 낭비하는 에너지입니다. GaN 충전기는 만졌을 때 훨씬 더 시원한 느낌을 주며 낭비되는 에너지가 훨씬 적습니다.”

갈륨과 그 화합물은 발광 다이오드, 레이저, 군용 레이더, 위성 및 태양 전지를 포함하여 수십 년 동안 기술 산업에서 활용되어 왔습니다. 하지만,갈륨 질화물현재 기술을 더욱 강력하고 에너지 효율적으로 만들고자 하는 연구자들의 초점은 입니다.

질화갈륨은 미래에 어떤 영향을 미치나요?

Oliver가 언급했듯이 GaN 휴대폰 충전기는 이미 시장에 나와 있으며 연구원들은 이 재료를 활용하여 더 빠른 전기 자동차 충전기를 개발하여 전기 자동차에 대한 소비자의 중요한 우려를 해결하는 것을 목표로 하고 있습니다. 올리버는 “전기 자동차와 같은 장치는 훨씬 더 빠르게 충전할 수 있습니다.”라고 말했습니다. "휴대용 전원과 급속 충전이 필요한 모든 분야에서 질화갈륨은 상당한 잠재력을 가지고 있습니다."

질화갈륨또한 군용 항공기와 드론의 레이더 시스템을 향상시켜 더 먼 거리에서 표적과 위협을 식별할 수 있도록 하고, AI 혁명을 저렴하고 지속 가능하게 만드는 데 중요한 데이터 센터 서버의 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

그것을 감안할 때갈륨 질화물여러 측면에서 탁월하고 한동안 존재해 왔지만 마이크로칩 산업이 계속해서 실리콘을 중심으로 구축되는 이유는 무엇입니까? 항상 그렇듯이 대답은 비용에 있습니다. GaN 칩은 제조가 더 비싸고 복잡합니다. 비용을 절감하고 생산을 확대하는 데는 시간이 걸리겠지만, 미국 정부는 이 신흥 산업을 활성화하기 위해 적극적으로 노력하고 있습니다.

2024년 2월 미국은 국내 칩 생산을 확대하기 위해 CHIPS 및 과학법에 따라 반도체 제조 회사인 GlobalFoundries에 15억 달러를 할당했습니다.

 이 자금의 일부는 버몬트에 있는 제조 시설을 업그레이드하여 대량 생산이 가능하도록 하는 데 사용될 것입니다.갈륨 질화물(GaN) 반도체는 현재 미국에서는 실현되지 않는 기능입니다. 자금 발표에 따르면 이러한 반도체는 전기 자동차, 데이터 센터, 스마트폰, 전력망 및 기타 기술에 활용될 것입니다. 

그러나 미국이 제조업 전반에 걸쳐 정상 운영을 회복하더라도, 생산은GaN칩은 현재로서는 보장되지 않는 갈륨의 안정적인 공급에 달려 있습니다. 

갈륨은 드물지 않지만(지각에 구리와 비슷한 수준으로 존재함), 구리처럼 채굴 가능한 대규모 광상에는 존재하지 않습니다. 그럼에도 불구하고 알루미늄과 아연을 함유한 광석에서는 미량의 갈륨이 발견되어 이러한 원소를 처리하는 동안 수집이 가능합니다. 

2022년 현재 전 세계 갈륨의 약 90%가 중국에서 생산된다. 한편 미국은 1980년대 이후 갈륨을 생산하지 않았으며, 갈륨의 53%는 중국에서 수입하고 나머지는 다른 국가에서 조달했습니다. 

2023년 7월, 중국은 국가 안보를 이유로 갈륨과 다른 물질인 게르마늄의 수출을 제한하기 시작할 것이라고 발표했습니다. 

중국의 규정은 미국으로의 갈륨 수출을 완전히 금지하지는 않지만 잠재적 구매자가 중국 정부에 허가를 신청하고 승인을 받도록 요구합니다. 

미국 방산업체는 거부당할 것이 거의 확실하며, 특히 중국의 '신뢰할 수 없는 기업 목록'에 등재된 경우 더욱 그렇습니다. 지금까지 이러한 제한으로 인해 중국이 향후 이 물질에 대한 통제를 강화할 수도 있지만 완전한 부족이 아닌 대부분의 칩 제조업체의 갈륨 가격이 상승하고 주문 배송 시간이 연장된 것으로 보입니다. 

미국은 오랫동안 중요한 광물을 중국에 의존하는 것과 관련된 위험을 인식해 왔습니다. 2010년 일본과의 분쟁 중에 중국은 일시적으로 희토류 금속 수출을 금지했습니다. 중국이 2023년 제한 조치를 발표할 당시 미국은 이미 공급망을 강화할 방법을 모색하고 있었습니다. 

가능한 대안으로는 캐나다와 같은 다른 국가에서 갈륨을 수입하는 것(생산을 충분히 늘릴 수 있는 경우), 전자 폐기물에서 재료를 재활용하는 것 등이 있습니다. 이 분야의 연구는 미국 국방부의 첨단 연구 프로젝트 기관에서 자금을 지원하고 있습니다. 

갈륨의 국내 공급을 확립하는 것도 하나의 선택 사항이다. 

네덜란드에 본사를 둔 회사인 Nyrstar는 테네시에 있는 아연 공장에서 현재 미국 수요의 80%를 충족할 만큼 충분한 갈륨을 추출할 수 있지만 가공 시설을 건설하는 데는 최대 1억 9천만 달러가 소요될 것이라고 밝혔습니다. 회사는 현재 미국 정부와 확장 자금 조달을 위해 협상 중이다.

잠재적인 갈륨 공급원에는 텍사스주 라운드톱(Round Top)의 매장지도 포함됩니다. 2021년 미국 지질조사국(U.S. Geological Survey)은 이 광상에 약 36,500톤의 갈륨이 포함된 것으로 추정했습니다. 이에 비해 중국은 2022년에 750톤의 갈륨을 생산했습니다. 

일반적으로 갈륨은 미량으로 존재하며 극도로 분산되어 있습니다. 그러나 2024년 3월 American Critical Materials Corp.은 몬태나주 쿠테나이 국유림에서 고품질 갈륨 농도가 상대적으로 높은 매장지를 발견했습니다. 

현재 텍사스와 몬태나의 갈륨은 아직 추출되지 않았지만 아이다호 국립 연구소와 American Critical Materials Corp.의 연구원들은 이 물질을 얻기 위한 환경 친화적인 방법을 개발하기 위해 협력하고 있습니다. 

갈륨은 미국이 마이크로칩 기술을 개선할 수 있는 유일한 옵션은 아닙니다. 중국은 제한되지 않은 일부 재료를 사용하여 더 발전된 칩을 생산할 수 있으며 경우에 따라 갈륨 기반 칩보다 성능이 뛰어날 수도 있습니다. 

2024년 10월, 칩 제조업체인 Wolfspeed는 미국 최대 규모의 탄화규소(SiC라고도 함) 칩 제조 시설을 건설하기 위해 CHIPS 법을 통해 최대 7억 5천만 달러의 자금을 확보했습니다.갈륨 질화물그러나 고출력 태양광 발전소와 같은 특정 응용 분야에는 바람직합니다. 

Oliver는 Freethink에 다음과 같이 말했습니다. “질화갈륨은 특정 전압 범위에서 매우 잘 작동하지만,탄화규소다른 사람들보다 더 잘 수행합니다. 따라서 다루는 전압과 전력에 따라 달라집니다.” 

미국은 또한 밴드갭이 3.4eV보다 큰 와이드 밴드갭 반도체 기반 마이크로칩 연구에 자금을 지원하고 있습니다. 이러한 재료에는 다이아몬드, 질화알루미늄, 질화붕소가 포함됩니다. 비용이 많이 들고 가공이 어렵지만 이러한 재료로 만든 칩은 언젠가는 더 낮은 환경 비용으로 놀라운 새로운 기능을 제공할 수 있습니다.

 “해상 풍력을 육상 그리드로 전송하는 데 포함될 수 있는 전압 유형에 대해 이야기한다면,갈륨 질화물해당 전압을 처리할 수 없기 때문에 적합하지 않을 수 있습니다.”라고 Oliver는 설명했습니다. "광대역폭인 질화알루미늄과 같은 재료는 가능합니다."