硅的尽头是什么？至少在电力电子中，应该是宽禁带半导体
本文编译自纽约时报
如今电子产品的创新故事通常等同于基于硅的芯片的不断进步，这些芯片在我们的计算机、手机以及越来越多的其他东西中处理信息。摩尔定律则是芯片技术发展的高度凝练。
但电子产品也有一个关键的、但不那么出名的发展规律：功耗越来越低。随着工程师转而使用不是基于硅芯片而是基于能够更快、更有效地处理电力的新材料功率控制，被称为“电力电子”的领域正在迅速发生变化。一些新颖的后硅器件（宽禁带半导体）已经投入使用，随着我们的大部分经济从化石燃料转向电力，未来更好的电力电子设备将变得更加重要。在硅的供应链严重紧张的当下，电力电子相关产品的缺货程度远高于硅。
这一波新材料从 2017 年实验室爆发，当时特斯拉面临历史上的关键时刻。该公司已经发布了两款成功的豪华车型，但为了成为一家大型汽车制造商，它把公司的未来押在了制造更便宜的大众市场汽车上。
当特斯拉发布其 Model 3 时，它在竞争中拥有一项秘密技术优势：一种称为碳化硅的材料。电动汽车的关键部件之一是牵引逆变器，它从电池中获取电力，将其转换为不同的形式，并将其馈送到转动车轮的电机。为了获得特斯拉闻名的推背感加速，牵引逆变器必须瞬时输出数百千瓦的功率，足以为一个小型社区供电，同时也需要足够可靠以应对生死攸关的高速公路使用。
虽然之前的牵引逆变器是基于硅的，但 Model 3 是由碳化硅制成的。生产特斯拉使用的碳化硅芯片的欧洲公司意法半导体（ST）声称，它们可以将车辆的续航里程提高 10%，同时节省大量空间和重量，为汽车设计带来更多好处。“Model 3 的空气阻力系数与跑车一样低，”名古屋大学从事电动汽车零部件拆解工作的工程师山本雅芳告诉日经亚洲。 “缩小逆变器的尺寸使其轻松实现流线型设计。”
Model 3 大获成功，部分归功于其开创性的电力电子技术，并证明电动汽车可以大规模部署这一产品。 （这也使特斯拉成为世界上最有价值的公司之一。）
“特斯拉做出了这一奇妙的举动，”法国高科技研究和咨询公司 Yole Développement 的分析师 Claire Troadec 在谈到该公司转向碳化硅时说。“他们仅用一年半就完成了这一开创新的实践，真的很了不起。”
随着特斯拉的快速崛起，其他汽车制造商已在许多地方积极推动其车队电气化，并在许多地方受到政府授权的推动。他们中的许多人还计划不仅在牵引逆变器中使用碳化硅，而且在其他电气组件中使用碳化硅，例如 DC/DC 转换器，为空调等组件供电，以及在汽车插入电源时为电池充电的车载充电器。家。碳化硅的成本远高于硅，但许多制造商得出的结论是，其好处不仅仅是弥补了较高的价格。
上个月，半导体制造商 Wolfspeed 在纽约州北部建设了一家价值 10 亿美元的碳化硅工厂。这家总部位于北卡罗来纳州的公司与通用汽车达成了供货协议。“电动汽车厂商正在寻找更远续航里程的技术。”通用汽车公司副总裁 Shilpan Amin 说，“我们将碳化硅视为电力电子设计中必不可少的材料。”
纽约州州长 Kathy Hochul 在Wolfspeed工厂开幕式时表示：“西海岸有个硅谷，然而现在东海岸有了碳化硅谷，这也是未来。”
撇开当地的助推主义不谈，在可预见的未来，硅将继续主导价值5000亿美元的半导体行业，包括必不可少的处理器和存储芯片市场。但在每年销售额约为 200 亿美元的电力电子领域，碳化硅正在取得重大进展。Yole Développement 预计，到 2027 年，碳化硅的汽车市场将从目前略高于 10 亿美元的总额增加到 50 亿美元。
意法半导体汽车和分立器件产品部(ADG) 执行副总裁Edoardo Merli 表示：“如果没有碳化硅，我们就不会出现如此繁荣的电动汽车市场。”
硅和碳化硅在电子产品中很有用，因为它们具有半导体特性——可以在导体（如金属）和绝缘体（如大多数塑料）之间切换。这种能力使半导体成为晶体管的关键材料——现代电子产品的基本组成部分。
碳化硅与硅的不同之处在于它具有更宽的带隙，这意味着它需要更多的能量来在两种状态之间切换。宽带隙或宽禁带半导体在电力电子方面具有优势，因为它们可以更有效地传输更多的电力。
碳化硅是宽禁带技术的主要一员，有着几十年的开发历史。除此之前，氮化镓同样也是一种宽禁带材料。在 1980 年代，研究人员使用氮化镓制造了世界上第一个蓝色 LED，具有宽禁带宽度的氮化镓是第一种能够实际产生具有足够能量的光子的半导体。 2014 年，三位科学家因此创新获得诺贝尔物理学奖，如今这项创新在显示和照明等各行业中无处不在。
最近，研究人员开始使用氮化镓来改进电力电子设备。在过去几年中，这种材料在手机和电脑充电适配器方面取得了商业成果。与使用硅晶体管的传统适配器相比，这些适配器更小、更轻、充电更快且效率更高。
“笔记本充电器的效率为 90%，”加拿大公司 GaN Systems 的首席执行官 Jim Witham 说，该公司为苹果去年秋天发布的氮化镓笔记本电脑充电器提供了功率器件。“氮化镓的效率可以高达98%，这意味着您可以将功率损耗减少四倍。”
Yole Développement 估计，氮化镓市场将从今年的 2 亿美元左右增长到 2027 年的 20 亿美元。
宽禁带材料也正在进入其他应用领域。数据中心是电力大户，世界生成越来越多的数据，也让数据中心的建设一直在加速。数据中心高端电源供应商 Compuware 表示，其基于氮化镓的电源比传统设备减少了约 25% 的电力浪费，占用空间减少了20%，从而使客户可以在同一设备上运行更多的服务器机架。该公司还表示，其氮化镓电源正用于世界各地主要公司运营的数据中心。
工程师们还致力于使用宽禁带材料来更好地利用可再生能源。太阳能电池和风力涡轮机依靠逆变器向家庭或电网供电，许多公司希望氮化镓比硅做得更好。Enphase 是太阳能装置逆变器的供应商，目前正在测试基于氮化镓的逆变器，以确保它们能够承受数十年的恶劣天气及环境。在一项测试中，Enphase 将逆变器放在压力锅内，将压力锅放入密封的水罐中，并在 21 天的时间里温度持续切换在 85 摄氏度和 -4 摄氏度之间。如果氮化镓器件能够经受住挑战，将证明氮化镓的高可靠性。Enphase 的联合创始人 Raghu Belur 表示氮化镓绝对会在逆变器市场上流行
在去年投资者见面会上，Enphase 的一位高级工程师给出了一个更有说服力的预测，他说：“这（氮化镓）将是硅的尽头。”
生产宽禁带器件的公司在很大程度上避开了硅供应链的芯片危机。在疫情颠覆全球贸易之前，碳化硅和氮化镓正在快速增长，对这些材料感兴趣的公司与生产商签署了一系列长期供应协议。这场危机实际上帮助了一些宽禁带半导体制造商：对当前的硅危机感到沮丧的芯片购买者已经签署了长期协议，以避免未来出现类似问题。
即使公司升级到碳化硅和氮化镓，研究人员也在开发新的宽禁带材料，以进一步改进电力电子设备。 2012 年，日本国家信息和通信技术研究所的研究员 Masataka Higashiwaki 宣布了一种由氧化镓制成的有前途的晶体管，这种材料的带隙明显高于碳化硅和氮化镓。与由硅、碳化硅和氮化镓制成的组件相比，由氧化镓制成的组件“可以提供更低的损耗”，“从而提高效率”，Higashiwaki 博士介绍道。科学家们目前在开发这种材料方面取得了快速进展。 Higashiwaki 博士预计，在未来十年内，它可能将开始出现在电动汽车的牵引逆变器等产品中。
但创新就是这样不断涌现，“金刚石是终极的超宽带隙材料。”Troadec说道，尽管有人设法将这种极其珍贵的宝石变成商业化产品还需要很长一段时间。
