硅時代已經終結？
—解析電子經濟時代無處不在的新材料

編譯 王曉濤

芝加哥大學實驗室里的碳化硅芯片。雖然碳化硅芯片的制作成本比硅更高，但這種新材料對電力電子學大有作用

現代電子設備的發展史總是與硅基微芯片的不斷進步緊密聯系在一起。它們的應用范圍已不止于電腦、手機，而是越發廣泛地出現在我們的日常生活中，幾乎所有物件內部都有它們的身影。人們熟知的摩爾定律就很好地總結了這類芯片的發展規律。

不過，電子產品在現代生活中還扮演著一個雖然沒有那么出名但同樣重要的角色：引導為我們所有電子設備供能的電流。這個領域被恰如其分地稱為“電力電子學”。工程師們現在使用的電力控制設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，電力電子學這個領域現在正快速變化。一些全新的非硅芯片設備已經投入使用，此外，隨著人類經濟從化石燃料供能逐漸轉向電力供能，不斷改善的電力電子學理論將發揮越來越重要的作用。在這段硅供應鏈遭遇嚴重問題的時期，越來越多的新材料開始涌現。

嚴格來說，這波新材料爆發期始于2017年，當時，特斯拉正處于公司歷史上最為關鍵的時刻。在此之前，特斯拉已經發布了兩款成功的豪華車型，但為了占據更多汽車市場份額，它把公司的未來押寶在了價格更為低廉、面向大眾市場的車型上。

在這樣的背景下，特斯拉Model 3應運而生。相比眾多競爭對手，這款車擁有一項秘密技術優勢，也就是一種叫作碳化硅的材料。電能源汽車的一大關鍵部件就是牽引逆變器，它負責從電池中提取電能，將其轉化成不同形式的能源后，輸送給驅動車輪的馬達。

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

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。負責生產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，這對汽車設計大有好處?！癕odel 3的空氣阻力系數同跑車一樣低，”研究電能源汽車零部件拆卸的日本名古屋大學工程師山本真義說，“它之所以能擁有這么好的流線型設計，就是因為牽引逆變器的尺寸和重量下降了?！?/p>

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

“特斯拉邁出了了不起的一步，”法國高科技研究和戰略咨詢公司Yole Développement分析師在談到特斯拉轉而使用碳化硅牽引逆變器時說道，“他們在一年半內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代的腳步——在很多地方，這也是當地政府的要求。他們中有許多不僅計劃在牽引逆變器中使用碳化硅，還準備在像DC轉化器（為空調等車載部件供能）和車載充電器（汽車連上家用電源時，給電池充電的就是這個部件）這樣的其他電子部件中使用這種新材料。碳化硅的生產成本要比硅高得多，但許多生產商認為，前者絕對物超所值。

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

紐約州州長凱西·霍楚（Kathy Hochul）在Wolfspeed工廠的開業儀式上毫不吝惜對這家公司的贊美：“在遙遠的西海岸有一個叫作硅谷的小地方。你肯定也聽說過吧？我覺得這地方多少有些被高估了。我愿意成為第一個歡迎你來我們這個碳化硅谷的人，因為這里才是未來?！?/p>

拋開本土因素不談，在可以預見的將來，在總產值5 000億美元的半導體市場（包括重要處理器和存儲器芯片市場）上占據統治地位的仍舊會是硅。不過，在每年銷售額大約200億美元的電力電子學部件領域，碳化硅正在突飛猛進。按照Yole Développement的預測，到2027年，汽車用碳化硅的市場將從目前的10億美元出頭上升到50億美元。

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

更好的磚塊

硅和碳化硅在電子設備中都很有用，因為它們是半導體：它們可以在電導體（比如金屬）和絕緣體（比如大多數塑料）間來回切換。這個性質讓半導體成了制作晶體管的關鍵材料，而晶體管是構筑現代電子學大廈的基本磚塊。

碳化硅與硅的不同之處在于，前者的帶隙更寬，這意味著，碳化硅在導體與絕望體這兩種狀態間切換所需的能量更多。寬帶隙半導體在電力電子學部件中具有重要作用，因為它們可以更為高效地輸出更多能量。

而碳化硅是寬帶隙半導體世界中的高級公民，從幾十年前開始就一直在朝著充當晶體管制作材料的方向發展。與此同時，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80年代，研究人員使用氮化鎵開發了全球第一批明亮的藍光LED燈。藍光由高能光子構成。寬帶隙的氮化鎵是第一種可以在實踐中產生足夠高能量光子的半導體。2014年，三名科學家憑借藍光LED的發明，獲得了諾貝爾物理學獎。如今，藍光LED已經無處不在，最常見的就是各類屏幕和燈泡。

英國曼徹斯特大學光子科學研究所的科研人員正在研究一塊涂有氮化鎵的工業藍寶石晶圓碎片

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

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

按照Yole Développement的預測，到2027年，氮化鎵市場將從目前的總計2億美元左右上升到20億美元。

寬帶隙材料在其他領域的應用也在穩步推進。數據中心這種大型設施里到處都是計算機服務器——正是它們保障了我們所有人都需要的線上服務——其耗電量之高家喻戶曉。為數據中心提供高端電源的供應商Compuware表示，相比傳統電源設備，他們的氮化鎵電源可以減少25%左右的電能損耗且減少20%左右的設備體積，這樣一來，客戶就能在原來的機架上運行更多服務器了。這家公司還表示，全球各大公司的數據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。太陽能電池和風力渦輪通過逆變器向居民家庭或電網供電，這個領域的很多公司都認為氮化鎵能比硅更好地完成這項任務。為各類太陽能設備提供逆變器的供應商Enphase目前正在測試用氮化鎵制作的逆變器能否在數十年的嚴酷戶外環境中保證性能。在其中的一項測試中，Enphase將氮化鎵逆變器裝入高壓鍋中，再將高壓鍋放到一個密封的容器內，最后把整個容器沉入水中。在為期21天的測試周期中，研究人員讓水溫在-40℉～185℉（-4.4℃～85℃）這個范圍內波動變化。如果用氮化鎵制作的逆變器能夠經受住這些挑戰，Enphase的聯合創辦人拉古·貝魯爾（Raghu Belur）就計劃盡快改用這種新材料制造各種設備?！拔磥斫^對是屬于氮化鎵的?！彼@樣說。

在2021年的一次投資者大會上，Enphase的一位高級工程師還提出了一個更為大膽的預測：“硅時代已經終結?！?/p>

生產寬帶隙材料設備的公司很大程度上躲過了疫情期間硅供應鏈嚴重收緊的巨大影響。早在新冠疫情深刻影響全球貿易之前，碳化硅和氮化鎵這兩種新材料的發展勢頭就相當迅猛。對這兩種材料感興趣的公司也早就與生產商簽訂了訂單，因此，他們能在疫情的大背景下繼續平穩運作?？陀^上說，新冠危機的確幫到了一些寬帶隙半導體制造商：在當前硅供應鏈危機的背景下，許多接連受挫的芯片買家已經同寬帶隙半導體制造商簽訂了長期合作協議，以規避未來其他材料也出現類似的問題。

法國圣烏昂洛莫納的一家數據中心。數據中心里這些密密麻麻的集線器很占空間，而且也很耗電，這兩個問題現在幾乎人盡皆知。寬帶隙材料的出現有助于緩解這個癥結

生命周期的周期

雖然各大公司現在才剛剛開始把原材料硅升級成碳化硅和氮化鎵，但研究人員已經開始研發能夠進一步提升電力電子學設備性能的新寬帶隙材料。2012年，日本國家信息和通信技術研究所研究員東脅正高宣布用氧化鎵制成了一種應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”。毫無疑問，科學家們正在快速研發出像氧化鎵這樣的新材料。東脅正高博士期望，在未來十年里，就能看到像氧化鎵這樣的新材料應用到電能源車牽引逆變器這樣的設備中。

資料來源 The New York Times