究竟谁是能够取代硅的新型材料？
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编者按：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越来越重要的作用，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（microcircuit）、微芯片（microchip）、集成电路（integrated circuit, IC），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。摩尔定律也越来越为人所熟知。
译者注：摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）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变化，因为工程师们不再使用硅芯片，而是使用碳化硅等新型材料，这种材料可以更快、更有效地处理电力。(Lyndon French/The New York Times)
电子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变化，因为工程师们不再使用硅芯片，而是使用碳化硅等新型材料，这种材料可以更快、更有效地处理电力。一些新颖的后硅设备（post-silicon devices）已经投入使用，随着我们的经济从化石燃料转向电力，更好的电力电子产品在未来将变得更加重要。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。该公司已经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。
2017年8月8日，位于加州山景城的特斯拉超级充电站。 (Jason Henry/The New York Times)
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。电动汽车的关键部件之一是牵引逆变器（traction inverters），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（STMicroelectronics）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（Nagoya University）负责电动汽车零部件拆卸的工程师山本正芳（Masayoshi Yamamoto）告诉日经亚洲（Nikkei Asia），“缩小的逆变器使其流线型设计成为可能。”
Model 3 大获成功，这在一定程度上要归功于其开创性的电力电子产品，并证明了电动汽车可以大规模推广。同时，这也让特斯拉成为世界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（Claire Troadec）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。这家总部位于北卡罗来纳州的公司与通用汽车（General Motors）等其他买家达成了供货协议。通用汽车副总裁希尔潘·阿明（Shilpan Amin）说，电动汽车的客户“需要更大的续航里程，而我们将碳化硅视为设计电力电子产品的重要材料。”
纽约州州长凯西·霍楚（Kathy Hochul）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大家来到碳化硅谷的人，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（Edoardo Merli）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，这意味着碳化硅需要更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，因为它们可以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，是第一种能够产生具有足够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（Jim Witham）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%。”这家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可以减少约 25% 的电力浪费，并减少 20% 的空间占用，使客户可以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 联合创始人拉古·贝鲁尔（Raghu Belur）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（National Institute of Information and Communications Technology）的研究员东垣正孝（Masataka Higashiwaki）宣布了一种很有前景的晶体管。它由氧化镓制成，这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，氧化镓将开始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。
译者：Jane
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