缩小手机充电器、为电动汽车供电并使 5G 成为可能的新型材料

Christopher Mims 的这篇专栏文章最初于 2021 年 7 月 17 日刊登在《华尔街日报》上,它探讨了氮化镓的用途和潜力。 

如果您是在屏幕上阅读本文,那么很可能您其实是在盯着未来。

在大多数 LED 屏幕以及现在室内照明普遍使用的 LED 灯中存在着金属镓。 虽然它不像硅那样广为人知,但它正在接管硅曾经占据主导地位的许多领域——从天线到电源转换器和其他被称为“电力电子”的能量转换系统。 在此过程中,它实现了一系列令人惊讶的新技术,从更快充电的手机到更轻的电动汽车,再到支持我们使用的应用程序和服务的更节能的数据中心。

镓的金属形态; 结晶化合物氮化镓的不寻常特性使其可用于一系列先进电子产品 PHOTO: GABRIEL ZIMMER FOR THE WALL STREET JOURNAL

作为从岩石中提取铝的副产品,镓的熔点是如此之低,以至于当您将其握在手中时,它就会变成一种流动的银白色液体。 就其本身而言,它并不是非常有用。 但是将其与氮结合,制成氮化镓,它就成为具有宝贵特性的坚硬晶体。 它出现在许多自动驾驶汽车使用的激光传感器中、支持当今快速蜂窝无线网络的天线中,以及越来越多地出现在对提高可再生能源收集效率至关重要的电子产品中。

许多由氮化镓(也称为 GaN)制成的最具体的产品出现在电力电子领域。 目前,您可以购买带有足够电量的小型 USB-C 充电器来同时为您的笔记本电脑、手机和平板电脑供电,虽然它们并不比我们多年来使用的科技产品所附带的功率低得多的电源转换器大。

将一种电压转换为另一种电压的电力电子设备也在电动汽车的许多方面发挥关键作用。 芯片制造商 GaN Systems 的首席执行官 Jim Witham 表示,它们更小、更轻、更高效并且散发的热量更少,因此电动汽车充电后可以行驶更远。 他补充说,这些特点也使得从太阳能电池板等可再生能源中榨取更多的电力成为可能。 当电力转换频繁发生时,即使是很小的效率提高也会产生显著效果,例如在包括电池存储的可再生能源电网中。

虽然氮化镓看起来很神奇,它也面临着来自久经考验的硅和越来越多的新材料的竞争,这些新材料显示出彻底改变我们的电子产品的潜力。 尽管如此,氮化镓的用途仍在不断扩大。 GaN Systems 的有些客户尝试在数据中心使用其芯片,在那个使用场景中通过降低功耗和废热可以节省大量的电费。但是这些客户目前并没有公开承认使用该技术。

直到不久前,氮化镓 还只是实验室中的一个项目。 然后五角大楼产生了兴趣,他们在寻找新型电子设备来驱动下一代雷达和无线通信。 剑桥大学材料科学教授兼氮化镓中心主任雷切尔奥利弗说,从 2000 年左右开始,国防部高级研究机构 Darpa 的资助推动了扫除商业化障碍所需的实验。

除了在民用领域应用广泛,氮化镓 现在还出现在军用硬件中,用于从无线电干扰到导弹防御的所有领域,这一切都得益于其独特的特性。

与硅相比,氮化镓可以处理相对大量的电力。 Oliver 博士说,它具有不同寻常的特性,既擅长移动电子,又擅长不让它们去你不希望它们去的地方,这使得它既有用又相对安全。

除了导电能力外,氮化镓还能够在比硅高得多的频率下运行—在商业应用中快 30 到 500 倍——这使得充电器比传统充电器更小或提供更多功率。

随着我们的整个世界变得越来越电气化,从我们的能源到使用它的设备,任何能更有效将电力从一种形式转换为另一种形式的东西,都有可能迅速普及并成为巨大的收入来源,因为这种转换非常重要却常常被忽视。 这就是为什么在这个领域有数十家初创公司和成熟公司的原因,包括 Navitas Semiconductor、GaN Systems、Power Integrations、德州仪器、英飞凌和意法半导体。

然而,氮化镓电力电子市场仍处于起步阶段。 Gartner 研究副总裁 George Brocklehurst 表示,2019 年,所有晶体管的整个市场约为 160 亿美元,而 Navitas、GaN Systems 和其他公司提供的晶体管市场还只有 4500 万美元。

还有其他潜在的革命性材料开始与硅竞争,例如石墨烯,但是氮化镓微芯片具有相当大的优势,它们可以在制造传统微芯片的同类制造设施(称为晶圆厂)中生产,Navitas 的市场营销负责人斯蒂芬奥利弗说。

丰田最近展示了一辆装有氮化镓基电子设备的原型车。

因为它们不需要最先进的芯片制造技术,所以氮化镓芯片可以在较老的、付费的晶圆厂生产,否则这些晶圆厂可能会闲置。 Oliver 先生说,一个幸运的副作用是 氮化镓芯片供应没有被更广泛的全球半导体短缺所影响。 Navitas 的芯片目前由台湾芯片制造巨头台积电 (TSMC) 运营的最古老的晶圆厂制造。

氮化镓的普及,导致其价格迅速下降。 这就是为什么您现在花 20 到 70 美元就可以购买氮化镓充电器,它在各方面都比您购买的电器所附带的充电器要好。

GaN Systems 等公司正在将该技术推向其他领域。 宝马和丰田都是 GaN Systems 的投资者。 2019 年,丰田展示了一款原型车,该车采用完全基于氮化镓的电力电子设备,从车载充电器到 LED 灯。

但话说回来,氮化镓芯片也并不是绝对的赢家。 材料科学的进步已经产生了一些竞争对手。 Gartner 的 Brocklehurst 先生表示,传统的硅功率电子器件在大多数应用中仍占主导地位,而在汽车领域,碳化硅是一种与 氮化镓具有许多相同特性的替代品,并且有着更长的历史。

一批有潜力但不为人所熟知的物质可以对前面提到的所有物质发起挑战,包括氧化镓和氧化铝。 Oliver 博士说,两者都是可以被制成成微芯片的半导体。

材料革命尚未攻占的领域是最大的半导体市场:我们的计算机中使用的处理器。 直到最近,Oliver 博士说,氮化镓擅长的事情只有传统硅晶体管的一半。

到目前为止,氮化镓无法处理运行由传统硅逻辑芯片执行的计算所需的电流。 但最近的研究结果表明,这种情况可能正在发生变化。

“如果几年前你问我是否会将 氮化镓用于逻辑运算,我会说:‘哦,别傻了,’”她说。 “但现在有可能,它可能会带来更快的设备。”