차세대 마이크로 칩: 실리콘 칩은 더 이상 지속 가능하지 않다.

 

다음 반도체

재료는 전기를 얼마나 잘 전도하는지에 따라 분류할 수 있다. 전류는 도체를 통해 쉽게 흐르지만 절연체는 그렇지 않다.

 

반도체는 중간 어딘가에 있다. 전기를 쉽게 전도할 수 있지만 특정 조건에서만 가능하다. 이로 인해 컴퓨팅에 엄청나게 유용해졌다. 반도체를 마이크로칩의 기반으로 사용하면 장치를 통한 전기 흐름을 제어할 수 있어 모든 마법이 일어난다.

 

실리콘은 처음 등장한 이래 칩과 기술 산업을 지배해 왔다. 따라서 "실리콘 밸리"라는 이름이 붙었지만 미래 기술에 가장 적합한 재료는 아닐 수 있다. 그 이유를 설명하기 위해 칩의 작동 방식, 오늘날의 기술 과제, 그리고 내일 실리콘을 대체할 수 있는 소재를 다시 살펴보겠다.

 

우리가 있었던 곳

마이크로칩에는 "트랜지스터"라고 하는 작은 스위치가 들어 있는데, 이 스위치는 키보드 클릭과 소프트웨어 프로그램을 컴퓨터 언어인 이진 코드로 변환한다. 스위치가 켜지면 전기가 흐를 수 있는데, 이는 1이다. 스위치가 꺼지면 전기가 흐를 수 없는데, 이는 0이다. 현대 컴퓨터가 하는 모든 일은 궁극적으로 이 스위치로 귀결된다.

 

수십 년 동안 우리는 마이크로칩의 트랜지스터 밀도를 높여 컴퓨터를 개선해 왔다. 최초의 마이크로칩은 트랜지스터가 하나뿐이었지만, 지금은 수십억 개의 작은 스위치를 손톱 크기의 칩에 넣을 수 있다.

 

최초의 마이크로칩은 게르마늄으로 만들어졌지만, 기술 산업은 곧 실리콘이 칩을 만드는 데 더 나은 재료라는 것을 깨달았다.

가장 큰 매력은 실리콘이 더 풍부해서 더 저렴하지만, 녹는점이 더 높아서 더 높은 온도에서 더 잘 작동한다는 것이다. 실리콘은 다른 재료로 "도핑"하기 쉽기 때문에 엔지니어는 실리콘의 전도도를 조정할 수 있는 여러 가지 방법을 제공한다.

 

우리가 있는 곳

실리콘 칩의 트랜지스터를 지속적으로 줄여 더 빠르고 강력한 컴퓨터를 만드는 고전적인 전략은 실패하기 시작했다.

펜실베이니아 대학교의 공학 교수인 딥 자리왈라는 2022년 월스트리트 저널에 "실리콘은 이처럼 극히 작은 차원에서 작동하지만, 한 번의 계산에 필요한 에너지 효율이 상승하고 있으며, 이로 인해 매우 지속 불가능하다."라고 말했다. "에너지 측면에서 더 이상 말이 되지 않다."

 

환경에 더 이상 피해를 주지 않고 기술을 계속 개선하려면 이러한 지속 가능성 문제를 해결해야 하며, 해결책을 찾기 위해 일부 연구자들은 갈륨과 질소로 만든 화합물인 질화 갈륨을 포함하여 실리콘이 아닌 반도체 재료로 만든 칩을 자세히 살펴보고 있다.

 

우리가 가는 곳(아마도)

반도체는 "밴드갭"이라는 것 때문에 전도도가 다르다.

양성자와 중성자는 원자핵 내부에 포장되어 있는 반면 전자는 그 주위를 공전한다. 물질이 전기를 전도하려면 전자가 "가전자대"라는 영역에서 "전도대"라는 영역으로 점프할 수 있어야 한다. 이러한 움직임을 촉진하는 데 필요한 최소 에너지는 물질의 "밴드갭"이다.

 

도체에서는 두 영역이 겹치고 밴드갭이 없다. 전자는 이러한 물질을 자유롭게 이동한다. 절연체에서는 밴드갭이 너무 커서 물질에 많은 에너지를 가하더라도 전자가 흐르기 어려울 것이다.

반도체는 중간에 있다. 예를 들어 실리콘의 밴드갭은 1.12 전자볼트(eV)이다. 그러나 질화갈륨의 밴드갭은 3.4eV로 "와이드 밴드갭 반도체"(WBGS)가 된다.

 

WBGS는 전도도 스펙트럼에서 절연체에 조금 더 가깝고, 이러한 재료에서 두 대역 사이로 전자를 이동시키는 데 더 많은 에너지가 필요하기 때문에, WBGS로 만든 칩은 매우 낮은 전압 애플리케이션에 적합하지 않다.

 

그러나 WBGS는 실리콘과 같은 반도체보다 더 높은 전압, 온도 및 에너지 주파수에서 작동할 수 있으며, 이를 활용하는 장치는 더 빠르고 효율적으로 작동할 수 있다.

 

케임브리지 갈륨 질화물 센터의 레이첼 올리버 이사는 "휴대전화 충전기를 만져보면 따뜻하고, 그것은 실리콘에서 낭비되는 에너지이다."라고 말했다. "갈륨 질화물 충전기는 만지면 훨씬 시원할 것이다. 훨씬 적은 에너지를 낭비하고 있다."

 

갈륨과 갈륨 화합물은 수십 년 동안 기술에 사용되어 왔다. LED, 레이저, 군용 레이더, 위성, 태양 전지 등에 사용되지만, 갈륨 질화물은 현재 기술을 더 강력하고 에너지 효율적으로 만들 방법을 찾는 연구자들의 주요 초점이다.

 

올리버가 지적했듯이, 질화 갈륨 휴대전화 충전기는 이미 출시되어 있으며, 연구원들은 이 소재를 사용하여 전기 자동차용 더 빠른 충전기를 개발하고, 소비자들이 EV에 대해 가지고 있는 주요 문제를 극복하고자 한다.

 

올리버는 "전기 자동차와 같은 물건을 충전하는 것은 훨씬 더 빠르다."라고 말했다. "휴대용 전원이 필요하고 빠르게 충전해야 하는 모든 것에 질화 갈륨은 잠재적으로 중요하다."

 

질화 갈륨은 또한 군용 제트기와 드론의 레이더를 개선하여 더 먼 거리에서 표적과 위협을 식별하고 데이터 센터의 서버를 더 효율적으로 만들 수 있으며, 이는 AI 혁명을 저렴하고 지속 가능하게 만드는 데 필수적이다.

 

그렇다면 갈륨 질화물이 여러 면에서 우수하고 오랫동안 존재해 왔다면, 마이크로칩 산업이 실리콘을 중심으로 구축된 이유는 무엇일까? 평소와 마찬가지로 답은 비용이다. 갈륨 질화물 칩은 제조 비용이 더 비싸고 복잡하다. 생산을 확대하는 동안 비용을 낮추는 데는 시간이 걸리겠지만, 미국 정부는 신생 산업을 활성화하기 위해 노력하고 있다.

 

2024년 2월, 미국 정부는 CHIPS 및 과학법에 따라 반도체 제조 회사인 GlobalFoundries에 15억 달러를 지원하여 미국에서 칩 제조를 확대했다.

 

그 돈의 일부는 버몬트 제조 시설을 업그레이드하여 갈륨 질화물 반도체를 대량으로 제조할 수 있도록 하는 데 사용될 것이다. 이는 아직 미국 어디에서도 일어나지 않은 일이다. 자금 지원 발표에 따르면, 이러한 반도체는 EV, 데이터 센터, 스마트폰, 전력망 및 기타 기술에 사용될 것이다.

 

미국이 모든 제조를 정상화할 수 있다 하더라도 갈륨 없이는 갈륨 질화물 칩을 만들 수 없으며, 현재 공급망은 불안정하다.

 

갈륨은 그렇게 희귀하지 않다. 지구 지각에는 구리만큼이나 많이 있지만, 구리와 달리 채굴할 수 있는 대규모 매장지는 없다. 알루미늄과 아연이 포함된 동일한 광석에서 소량 발견될 수 있으므로 갈륨은 암석을 이러한 원소로 가공할 때 수집된다.

 

2022년 현재 중국은 세계 갈륨의 약 90%를 생산하고 있다. 반면 미국은 1980년대 이후로 생산하지 않았다. 갈륨의 53%를 중국에서 수입하고 나머지 절반은 다른 국가에서 수입한다.

 

2023년 7월 중국은 국가 안보상의 이유로 갈륨과 다른 물질인 게르마늄의 수출을 제한하기 시작할 것이라고 발표했다. 이는 미국이 2022년 10월에 중국으로의 마이크로칩과 이를 만드는 데 사용되는 기계의 수출을 제한하겠다고 발표한 데 대한 대응으로 널리 알려졌다. (역사가 크리스 밀러와의 프리싱크 인터뷰는 두 초강대국 간의 진행 중인 "칩 전쟁"에 대한 더 많은 정보를 제공하는 훌륭한 소스이다.)

 

중국의 규정은 미국으로의 갈륨 수출을 금지하지 않지만, 잠재적인 구매자는 중국 정부의 승인을 받아야 하는 라이선스를 신청해야 한다.

 

미국의 방위 계약자는 거부당할 가능성이 매우 높으며, 특히 중국의 "신뢰할 수 없는 실체 목록"에 있는 경우 더욱 그렇다. 하지만 지금까지 대부분의 칩 제조업체에 대한 제한의 영향은 부족보다는 갈륨 가격 상승과 주문 리드 타임 연장인 것으로 보인다. 하지만 중국이 앞으로 이 소재에 대한 통제를 강화하기로 결정할 가능성도 있다.

 

미국은 오랫동안 중국에 중요한 광물을 크게 의존하는 것이 위험하다는 사실을 알고 있었다. 2010년 일본과의 분쟁 당시 중국은 중국에 대한 희토류 금속 수출을 일시적으로 금지했으며, 중국이 2023년에 제한을 발표했을 때 이미 공급망을 강화할 방법을 모색하고 있었다.

 

옵션으로는 캐나다와 같이 생산량을 충분히 늘릴 수 있는 다른 국가에서 갈륨을 수입하고, 재활용된 전자 폐기물에서 재료를 회수하는 것이 있다. DARPA는 이를 위한 연구에 자금을 지원하고 있다.

국내에서 갈륨 원료를 공급하는 것도 옵션이다.

 

네덜란드에 본사를 둔 Nyrstar는 테네시에 있는 아연 공장에서 미국의 현재 수요의 80%를 충족할 만큼 충분한 갈륨을 추출할 수 있다고 말하지만, 처리 시설을 짓는 데 최대 1억 9천만 달러가 들 것이라고 말한다. 현재 미국 정부와 확장 자금 조달에 대해 논의 중이다.

 

텍사스 라운드탑의 광상도 갈륨의 잠재적 공급원입니다. 2021년 미국 지질조사국은 약 36,500톤의 금속이 포함되어 있다고 보고했다. 참고로 중국은 2022년에 750톤의 갈륨을 생산했다.

 

평소처럼 그 갈륨은 극히 분산된 소량이지만, 2024년 3월 US Critical Materials Corp는 몬태나주 비터루트 국립 삼림에서 비교적 고농도의 고품질 갈륨이 포함된 광상을 발견했다.

 

현재 텍사스나 몬태나주에서 갈륨을 추출하는 일은 없지만, 아이다호 국립연구소와 US Critical Materials의 연구원들은 이 물질을 얻는 환경 친화적인 방법을 개발하기 위해 협력하고 있다.

 

몬태나에서 발견된 갈륨이 함유된 암석 샘플.

갈륨은 마이크로칩을 개선하기 위한 미국의 유일한 옵션은 아니다. 중국이 통제하지 않는 재료가 있어서 더 진보된 칩을 만드는 데 사용할 수 있으며, 어떤 상황에서는 갈륨 기반 옵션보다 성능이 더 좋을 수도 있다.

 

2024년 10월, 칩 제조업체 울프스피드는 CHIPS법을 통해 최대 7억 5천만 달러를 확보하여 실리콘 카바이드(WBGS라고도 함)로 만든 칩을 위한 미국 최대의 제조 시설을 건설했다. 실리콘 카바이드는 질화갈륨보다 비싸지만 고전력 태양광 농장과 같은 특정 응용 분야에 더 적합할 수 있다.

 

올리버는 "질화갈륨이 정말 잘 작동하는 전압 범위와 실리콘 카바이드가 더 잘 작동하는 전압 범위가 있다."라고 말했다. "따라서 얼마나 많은 전압, 얼마나 많은 전력을 처리하려고 하는지에 따라 달라진다."

 

미국은 또한 밴드갭이 3.4eV보다 큰 초광대역폭 반도체에 대한 마이크로칩 연구에 자금을 지원하고 있다. 이 그룹에는 다이아몬드, 질화 알루미늄, 질화 붕소가 포함되며, 이러한 재료는 비싸고 작업하기 어려울 수 있지만, 이러한 재료로 만든 칩은 언젠가 더 낮은 환경 비용으로 놀라운 새로운 능력을 발휘할 수 있다.

 

"해상 풍력 발전에 대해 다루고 있는 전압의 종류에 대해 이야기하고 있다면, 육상 그리드로 전송되고 변환되는 전압의 종류에 대해 이야기하고 있다면, 질화 갈륨은 그 전압이 얼마나 큰지 처리할 수 없기 때문에 그것을 처리할 수 없을 것이다."라고 올리버는 말했다. "질화 알루미늄과 같은 초광대역 밴드갭 재료는 처리할 수 있을 것이다."