硅的末日到了？谁是能够取代硅的新型材料？

时间: 2024-11-23 16:36:48 |   作者: 家居及玩具

  硅作为芯片的主要成分，一直以来都是科技行业的主导。不过当下新材料的发展日新月异，诸如碳化硅、氮化镓和氧化镓等材料在电力电子领域正发挥着逐渐重要的作用，也在推动电动汽车和电子设备等产品的更新迭代。本文来自编译，希望对您有所启发。

  芯片，又称微电路、微芯片、集成电路，是指内含集成电路的硅片，是手机和电脑等电子设备的一部分，负责处理信息。人们常常把现代电子科技的进步与硅基芯片的进步等同起来。摩尔定律也慢慢变得为人所熟知。

  译者注：摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

  * 2018年11月16日，芝加哥大学实验室的碳化硅芯片。电力电子领域正在发生明显的变化，因为工程师们不会再使用硅芯片，而是使用碳化硅等新型材料，这样一种材料可以更快、更有效地处理电力。

  电子科技类产品在现代生活中还扮演着一个角色，那就是引导电子产品的电力。电力电子（power electronics）领域正在迅速地发生明显的变化，因为工程师们不会再使用硅芯片，而是使用碳化硅等新型材料，这样一种材料可以更快、更有效地处理电力。一些新颖的后硅设备（post-silicon devices）已经投入到正常的使用中，随着我们的经济从化石燃料转向电力，更好的电力电子科技类产品在未来将变得更重要。在硅供应链严重扭曲的时候，这些新材料却蓬勃发展。

  2017年，特斯拉迎来了历史上的关键时刻，一波新材料从实验室迸发出来。该公司已发布了两款成功的豪华车型，但为了成为一家主要的汽车制造商，公司把未来押在了制造一款更便宜、面向大众的汽车上。

  当特斯拉发布Model 3时，其在竞争中拥有一个秘密的技术优势：一种名为碳化硅（SiC）的材料。电动汽车的核心部件之一是牵引逆变器，它从电池中提取电力，将其转换成不同的形式，并输送给驱动车轮的马达。为了让汽车有足够的动力，牵引逆变器必须输出数百千瓦的电力。

  之前的牵引逆变器是基于硅制成的，但Model 3的牵引逆变器是由碳化硅制成的。碳化硅是一种包含硅和碳的化合物。特斯拉所用的碳化硅芯片是由欧洲意法半导体公司制造的。该公司称，这种芯片可以将汽车行驶里程增加10%，同时显著节省汽车空间和重量，这在汽车设计中是非常宝贵的优势。“Model 3的空气阻力系数和跑车一样低，”名古屋大学负责电动汽车零部件拆卸的工程师山本正芳和记者说，“缩小的逆变器使其流线型设计成为可能。”

  Model 3大获成功，这在某些特定的程度上要归功于其开创性的电力电子科技类产品，并证明了电动汽车可以大规模推广。同时，这也让特斯拉变成全球上最有价值的公司之一。

  “特斯拉做出了这一了不起的举动，”法国高科技研究和咨询公司Yole Développement的分析师克莱尔·特洛阿德克说，他指的是该公司改用碳化硅，“他们在一年半的时间里所取得的成就真是令人惊叹。”

  随着特斯拉的快速崛起，其他汽车制造商也在积极采取行动，让自己的车实现电气化，在很多地方，这是政府的要求。许多公司还计划着，不仅在牵引逆变器中使用碳化硅，也在其他电子元件中使用碳化硅，如DC/DC转换器。碳化硅的成本比硅高得多，但许多制造商得出的结论是，碳化硅带来的好处远远弥补了更高价格带来的劣势。

  今年4月，半导体制造商Wolfspeed在纽约州北部投资10亿美元开设了一家碳化硅“晶圆厂”，也就是制造厂。这家总部在北卡罗来纳州的公司与通用汽车等其他买家达成了供货协议。通用汽车副总裁希尔潘·阿明说，电动汽车的客户“需要更大的续航能力，而我们将碳化硅视为设计电力电子科技类产品的重要材料。”

  纽约州州长凯西·霍楚在开幕仪式上对Wolfspeed工厂大加赞赏。“有一个很远的地方叫硅谷，大家都听过吧？硅谷有点被高估了，”她说，“我想成为第一个欢迎各位来到碳化硅谷的人，因为这就是未来。”

  抛开本土因素不提，在可预见的未来，硅将继续主导价值5000亿美元的半导体产业，包括处理器和存储芯片市场。

  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。据Yole Développement预测，到2027年，汽车碳化硅的市场规模将从目前的10亿多美元增加到50亿美元。

  意法半导体高管爱德华多·梅利说：“如果没有碳化硅，我们就不会有如此繁荣的电动汽车市场。”

  硅和碳化硅在电子领域都很有用，因为它们是半导体，既可以像金属一样是导电体，又可以像大多数塑料一样是绝缘体。这种能力使半导体成为晶体管的关键材料，而晶体管是现代电子器件的基本组成部分。

  碳化硅与硅的不同之处在于，它有一个很宽的带隙，这在某种程度上预示着碳化硅需要更加多的能量才能在两种状态之间切换。宽带隙（WBG）半导体在电力电子领域具有优势，因为它们能更有效地传输更多的电力。

  碳化硅是WBG的“老前辈”，作为晶体管材料已经被开发了几十年。在此期间，工程师们开始使用更新型的WBG材料，如氮化镓（GaN）。在20世纪80年代，研究人员使用氮化镓制造了世界上第一个明亮的蓝色LED。蓝光由高能光子组成，氮化镓具有很宽的带隙，是第一种能够产生有充足能量的光子的半导体。2014年，三名科学家因这项发明获得了诺贝尔物理学奖，而这项发明在电视屏幕和灯泡等设备中无处不在。

  最近，研究人员开始使用氮化镓来改进电力电子设备。在过去的几年中，这样一种材料在为手机和电脑充电的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、效率更高。

  加拿大GaN Systems公司的首席执行官吉姆·威瑟姆说：“电脑传统充电器的效率是90%，而氮化镓能让效率提高到98%。”此公司为苹果去年秋天发布的氮化镓笔记本充电器提供晶体管。

  Yole Développement估计，到2027年，氮化镓市场将从今年的2亿美元增长到20亿美元。

  宽带隙材料也在其他领域得到了应用。数据中心是出了名的费电，因为它有运算量很大的大型设备。Compuware是一家为数据中心提供高端电源的供应商，该公司表示，与传统设备相比，其基于氮化镓的电源能够大大减少约25%的电力浪费，并减少20%的空间占用，使客户能在同一个机架上运行更多的服务器。该公司还表示，其氮化镓电源正在世界各地大公司运营的数据中心中使用。

  工程师们正在研究使用宽带隙材料，以更好地利用可再次生产的能源。太阳能电池和风力涡轮机依靠逆变器向家庭或电网供电，许多公司寄希望于氮化镓比硅做得更好。Enphase是一家为太阳能装置提供逆变器的供应商，目前正在测试氮化镓逆变器，以确保其能够在恶劣的屋顶天气条件下使用几十年。在一项测试中，Enphase将逆变器放入水下的高压锅中，将高压锅放入一个密封的容器中，在21天的时间里让温度在华氏185度到零下40度之间波动。如果氮化镓器件能经受住挑战，Enphase联合发起人拉古·贝鲁尔便计划快速转向这种新材料。“行业绝对是朝着这个方向发展的。”他说。

  在去年的一次投资者会议上，Enphase的一位高级工程师给出了一个大胆的预测，他说：“硅的末日到了。”

  生产宽带隙组件的公司基本上避开了导致硅供应链紧张的“芯片危机”。在疫情颠覆全球贸易之前，碳化硅和氮化镓的产量迅速增长，对这两种材料感兴趣的公司与生产商签订了供应协议，进展顺利。这场危机实际上帮助了宽带隙半导体的一些制造商：对当前硅危机感到失望的芯片买家已经签署了长期协议，以避免未来其他材料出现类似的问题。

  在公司升级到碳化硅和氮化镓的同时，研究人员也在开发新的宽带隙材料，以进一步改善电力电子设备。2012年，日本国家信息通信技术研究所的研究员东垣正孝宣布了一种很有前景的晶体管。它由氧化镓制成，这样一种材料的净带宽度明显高于碳化硅和氮化镓。东垣正孝说，由氧化镓制成的组件比由硅、碳化硅和氮化镓制成的组件“损耗更低，从而获得更高的效率”。科学家们在开发这样一种材料方面取得了快速进展。东垣正孝预计，在未来十年，氧化镓将慢慢的出现在电动汽车牵引逆变器等产品中。

  但创新就是创新，已经有更好的东西在地平线上闪闪发光了。“钻石是终极的超宽带隙材料，”特洛阿德克说，虽然要想把这种异常珍贵的宝石变成异常珍贵的半导体，还需要相当长的时间。