硅時(shí)代已經(jīng)終結(jié)？
—解析電子經(jīng)濟(jì)時(shí)代無(wú)處不在的新材料

編譯 王曉濤

芝加哥大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里的碳化硅芯片。雖然碳化硅芯片的制作成本比硅更高，但這種新材料對(duì)電力電子學(xué)大有作用

現(xiàn)代電子設(shè)備的發(fā)展史總是與硅基微芯片的不斷進(jìn)步緊密聯(lián)系在一起。它們的應(yīng)用范圍已不止于電腦、手機(jī)，而是越發(fā)廣泛地出現(xiàn)在我們的日常生活中，幾乎所有物件內(nèi)部都有它們的身影。人們熟知的摩爾定律就很好地總結(jié)了這類芯片的發(fā)展規(guī)律。

不過(guò)，電子產(chǎn)品在現(xiàn)代生活中還扮演著一個(gè)雖然沒有那么出名但同樣重要的角色：引導(dǎo)為我們所有電子設(shè)備供能的電流。這個(gè)領(lǐng)域被恰如其分地稱為“電力電子學(xué)”。工程師們現(xiàn)在使用的電力控制設(shè)備很多都不是用的硅芯片，而是一些能夠更快速、更高效處理電流的新材料。因此，電力電子學(xué)這個(gè)領(lǐng)域現(xiàn)在正快速變化。一些全新的非硅芯片設(shè)備已經(jīng)投入使用，此外，隨著人類經(jīng)濟(jì)從化石燃料供能逐漸轉(zhuǎn)向電力供能，不斷改善的電力電子學(xué)理論將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。在這段硅供應(yīng)鏈遭遇嚴(yán)重問(wèn)題的時(shí)期，越來(lái)越多的新材料開始涌現(xiàn)。

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這波新材料爆發(fā)期始于2017年，當(dāng)時(shí)，特斯拉正處于公司歷史上最為關(guān)鍵的時(shí)刻。在此之前，特斯拉已經(jīng)發(fā)布了兩款成功的豪華車型，但為了占據(jù)更多汽車市場(chǎng)份額，它把公司的未來(lái)押寶在了價(jià)格更為低廉、面向大眾市場(chǎng)的車型上。

在這樣的背景下，特斯拉Model 3應(yīng)運(yùn)而生。相比眾多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，這款車擁有一項(xiàng)秘密技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也就是一種叫作碳化硅的材料。電能源汽車的一大關(guān)鍵部件就是牽引逆變器，它負(fù)責(zé)從電池中提取電能，將其轉(zhuǎn)化成不同形式的能源后，輸送給驅(qū)動(dòng)車輪的馬達(dá)。

特斯拉的一大特色就是加速極快。為了實(shí)現(xiàn)這種效果，牽引逆變器就必須輸出上千千瓦的電力——都足夠給一個(gè)小型社區(qū)供能了——但同時(shí)還要保證足夠高的可靠性，這樣才能在性命攸關(guān)的高速公路上保證車內(nèi)人員的生命安全。

在Model 3之前，牽引逆變器都是由硅制成的，而Model 3使用的是碳化硅（SiC），一種既含有硅又含有碳的化合物。負(fù)責(zé)生產(chǎn)特斯拉使用的碳化硅芯片的是一家歐洲公司，名叫“意法半導(dǎo)體”（STMicroelectronics）。該公司宣稱，使用碳化硅芯片可以在顯著縮減牽引逆變器體積和重量的前提下提升10%的行駛里程，這對(duì)汽車設(shè)計(jì)大有好處?！癕odel 3的空氣阻力系數(shù)同跑車一樣低，”研究電能源汽車零部件拆卸的日本名古屋大學(xué)工程師山本真義說(shuō)，“它之所以能擁有這么好的流線型設(shè)計(jì)，就是因?yàn)闋恳孀兤鞯某叽绾椭亓肯陆盗??！?/p>

Model 3大獲成功，部分原因就是其開創(chuàng)性的電力電子學(xué)設(shè)備。這款車也證明了電能源汽車大規(guī)模投入應(yīng)用完全可行。（Model 3還讓特斯拉成了全球最有價(jià)值的公司之一。）

“特斯拉邁出了了不起的一步，”法國(guó)高科技研究和戰(zhàn)略咨詢公司Yole Développement分析師在談到特斯拉轉(zhuǎn)而使用碳化硅牽引逆變器時(shí)說(shuō)道，“他們?cè)谝荒臧雰?nèi)取得的成就令人驚嘆?！?/p>

加利福尼亞州山景城的特斯拉超級(jí)充電站

隨著特斯拉的快速崛起，其他汽車制造商也開始加快步入電能源汽車時(shí)代的腳步——在很多地方，這也是當(dāng)?shù)卣囊?。他們中有許多不僅計(jì)劃在牽引逆變器中使用碳化硅，還準(zhǔn)備在像DC轉(zhuǎn)化器（為空調(diào)等車載部件供能）和車載充電器（汽車連上家用電源時(shí)，給電池充電的就是這個(gè)部件）這樣的其他電子部件中使用這種新材料。碳化硅的生產(chǎn)成本要比硅高得多，但許多生產(chǎn)商認(rèn)為，前者絕對(duì)物超所值。

2022年4月，半導(dǎo)體生產(chǎn)商在紐約北部開設(shè)了一間價(jià)值10億美元的碳化硅“晶圓廠”。這家總部位于北卡羅來(lái)納的公司已經(jīng)與通用汽車等客戶簽訂了供應(yīng)芯片原材料的訂單。通用汽車副總裁希爾潘·阿明（Shilpan Amin）說(shuō)：“電能源汽車的用戶都期待能有更高的續(xù)航里程，我們認(rèn)為，要想生產(chǎn)出滿足這個(gè)需要的電力電子學(xué)部件，碳化硅是必不可少的材料?！?/p>

紐約州州長(zhǎng)凱西·霍楚（Kathy Hochul）在Wolfspeed工廠的開業(yè)儀式上毫不吝惜對(duì)這家公司的贊美：“在遙遠(yuǎn)的西海岸有一個(gè)叫作硅谷的小地方。你肯定也聽說(shuō)過(guò)吧？我覺得這地方多少有些被高估了。我愿意成為第一個(gè)歡迎你來(lái)我們這個(gè)碳化硅谷的人，因?yàn)檫@里才是未來(lái)?！?/p>

拋開本土因素不談，在可以預(yù)見的將來(lái)，在總產(chǎn)值5 000億美元的半導(dǎo)體市場(chǎng)（包括重要處理器和存儲(chǔ)器芯片市場(chǎng)）上占據(jù)統(tǒng)治地位的仍舊會(huì)是硅。不過(guò)，在每年銷售額大約200億美元的電力電子學(xué)部件領(lǐng)域，碳化硅正在突飛猛進(jìn)。按照Yole Développement的預(yù)測(cè)，到2027年，汽車用碳化硅的市場(chǎng)將從目前的10億美元出頭上升到50億美元。

“要是沒有碳化硅，就沒有現(xiàn)在蓬勃發(fā)展的電能源汽車?！币夥ò雽?dǎo)體公司總裁愛德華多·梅利（Edoardo Merli）說(shuō)。

更好的磚塊

硅和碳化硅在電子設(shè)備中都很有用，因?yàn)樗鼈兪前雽?dǎo)體：它們可以在電導(dǎo)體（比如金屬）和絕緣體（比如大多數(shù)塑料）間來(lái)回切換。這個(gè)性質(zhì)讓半導(dǎo)體成了制作晶體管的關(guān)鍵材料，而晶體管是構(gòu)筑現(xiàn)代電子學(xué)大廈的基本磚塊。

碳化硅與硅的不同之處在于，前者的帶隙更寬，這意味著，碳化硅在導(dǎo)體與絕望體這兩種狀態(tài)間切換所需的能量更多。寬帶隙半導(dǎo)體在電力電子學(xué)部件中具有重要作用，因?yàn)樗鼈兛梢愿鼮楦咝У剌敵龈嗄芰俊?/p>

而碳化硅是寬帶隙半導(dǎo)體世界中的高級(jí)公民，從幾十年前開始就一直在朝著充當(dāng)晶體管制作材料的方向發(fā)展。與此同時(shí)，工程師也開始嘗試使用一些全新的寬帶隙材料，比如氮化鎵（GaN）。20世紀(jì)80年代，研究人員使用氮化鎵開發(fā)了全球第一批明亮的藍(lán)光LED燈。藍(lán)光由高能光子構(gòu)成。寬帶隙的氮化鎵是第一種可以在實(shí)踐中產(chǎn)生足夠高能量光子的半導(dǎo)體。2014年，三名科學(xué)家憑借藍(lán)光LED的發(fā)明，獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。如今，藍(lán)光LED已經(jīng)無(wú)處不在，最常見的就是各類屏幕和燈泡。

英國(guó)曼徹斯特大學(xué)光子科學(xué)研究所的科研人員正在研究一塊涂有氮化鎵的工業(yè)藍(lán)寶石晶圓碎片

最近，研究人員開始利用氮化鎵提升電力電子學(xué)部件性能。在過(guò)去的幾年里，用這種材料制造手機(jī)、電腦適配器的商業(yè)化開發(fā)已經(jīng)走向成熟。相比用硅晶體管制成的傳統(tǒng)適配器，用氮化鎵制造的新型適配器更小、更輕、充電更快也更高效。

“你買的那些傳統(tǒng)電腦適配器充電效率大概是90%，”為蘋果公司供應(yīng)氮化鎵筆記本電腦適配器（2021年秋天正式發(fā)布）晶體管的加拿大公司GaN Systems首席執(zhí)行官吉姆·威瑟姆（Jim Witham）說(shuō)，“氮化鎵適配器的充電效率是98%。也就是說(shuō)，能量損耗只有傳統(tǒng)適配器的20%?！?/p>

按照Yole Développement的預(yù)測(cè)，到2027年，氮化鎵市場(chǎng)將從目前的總計(jì)2億美元左右上升到20億美元。

寬帶隙材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也在穩(wěn)步推進(jìn)。數(shù)據(jù)中心這種大型設(shè)施里到處都是計(jì)算機(jī)服務(wù)器——正是它們保障了我們所有人都需要的線上服務(wù)——其耗電量之高家喻戶曉。為數(shù)據(jù)中心提供高端電源的供應(yīng)商Compuware表示，相比傳統(tǒng)電源設(shè)備，他們的氮化鎵電源可以減少25%左右的電能損耗且減少20%左右的設(shè)備體積，這樣一來(lái)，客戶就能在原來(lái)的機(jī)架上運(yùn)行更多服務(wù)器了。這家公司還表示，全球各大公司的數(shù)據(jù)中心都在使用他們的氮化鎵電源。

工程師們還在研究如何借助寬帶隙材料更好地利用可再生能源。太陽(yáng)能電池和風(fēng)力渦輪通過(guò)逆變器向居民家庭或電網(wǎng)供電，這個(gè)領(lǐng)域的很多公司都認(rèn)為氮化鎵能比硅更好地完成這項(xiàng)任務(wù)。為各類太陽(yáng)能設(shè)備提供逆變器的供應(yīng)商Enphase目前正在測(cè)試用氮化鎵制作的逆變器能否在數(shù)十年的嚴(yán)酷戶外環(huán)境中保證性能。在其中的一項(xiàng)測(cè)試中，Enphase將氮化鎵逆變器裝入高壓鍋中，再將高壓鍋放到一個(gè)密封的容器內(nèi)，最后把整個(gè)容器沉入水中。在為期21天的測(cè)試周期中，研究人員讓水溫在-40℉～185℉（-4.4℃～85℃）這個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)變化。如果用氮化鎵制作的逆變器能夠經(jīng)受住這些挑戰(zhàn)，Enphase的聯(lián)合創(chuàng)辦人拉古·貝魯爾（Raghu Belur）就計(jì)劃盡快改用這種新材料制造各種設(shè)備?！拔磥?lái)絕對(duì)是屬于氮化鎵的?！彼@樣說(shuō)。

在2021年的一次投資者大會(huì)上，Enphase的一位高級(jí)工程師還提出了一個(gè)更為大膽的預(yù)測(cè)：“硅時(shí)代已經(jīng)終結(jié)?！?/p>

生產(chǎn)寬帶隙材料設(shè)備的公司很大程度上躲過(guò)了疫情期間硅供應(yīng)鏈嚴(yán)重收緊的巨大影響。早在新冠疫情深刻影響全球貿(mào)易之前，碳化硅和氮化鎵這兩種新材料的發(fā)展勢(shì)頭就相當(dāng)迅猛。對(duì)這兩種材料感興趣的公司也早就與生產(chǎn)商簽訂了訂單，因此，他們能在疫情的大背景下繼續(xù)平穩(wěn)運(yùn)作?？陀^上說(shuō)，新冠危機(jī)的確幫到了一些寬帶隙半導(dǎo)體制造商：在當(dāng)前硅供應(yīng)鏈危機(jī)的背景下，許多接連受挫的芯片買家已經(jīng)同寬帶隙半導(dǎo)體制造商簽訂了長(zhǎng)期合作協(xié)議，以規(guī)避未來(lái)其他材料也出現(xiàn)類似的問(wèn)題。

法國(guó)圣烏昂洛莫納的一家數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心里這些密密麻麻的集線器很占空間，而且也很耗電，這兩個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在幾乎人盡皆知。寬帶隙材料的出現(xiàn)有助于緩解這個(gè)癥結(jié)

生命周期的周期

雖然各大公司現(xiàn)在才剛剛開始把原材料硅升級(jí)成碳化硅和氮化鎵，但研究人員已經(jīng)開始研發(fā)能夠進(jìn)一步提升電力電子學(xué)設(shè)備性能的新寬帶隙材料。2012年，日本國(guó)家信息和通信技術(shù)研究所研究員東脅正高宣布用氧化鎵制成了一種應(yīng)用前景廣闊的晶體管。氧化鎵這種材料的帶隙比碳化硅和氮化鎵還要寬得多。東脅正高博士表示，用氧化鎵制成的部件能源損耗要比硅、碳化硅和氮化鎵都要低得多，因而“效率大大提升”。毫無(wú)疑問(wèn)，科學(xué)家們正在快速研發(fā)出像氧化鎵這樣的新材料。東脅正高博士期望，在未來(lái)十年里，就能看到像氧化鎵這樣的新材料應(yīng)用到電能源車牽引逆變器這樣的設(shè)備中。

資料來(lái)源 The New York Times