芝加哥大学实验室里的碳化硅芯片。虽然碳化硅芯片的制作成本比硅更高，但这种新材料对电力电子学大有作用
现代电子设备的发展史总是与硅基微芯片的不断进步紧密联系在一起。它们的应用范围已不止于电脑、手机，而是越发广泛地出现在我们的日常生活中，几乎所有物件内部都有它们的身影。人们熟知的摩尔定律就很好地总结了这类芯片的发展规律。
不过，电子产品在现代生活中还扮演着一个虽然没有那么出名但同样重要的角色：引导为我们所有电子设备供能的电流。这个领域被恰如其分地称为“电力电子学”。工程师们现在使用的电力控制设备很多都不是用的硅芯片，而是一些能够更快速、更高效处理电流的新材料。因此，电力电子学这个领域现在正快速变化。一些全新的非硅芯片设备已经投入使用，此外，随着人类经济从化石燃料供能逐渐转向电力供能，不断改善的电力电子学理论将发挥越来越重要的作用。在这段硅供应链遭遇严重问题的时期，越来越多的新材料开始涌现。
严格来说，这波新材料爆发期始于2017年，当时，特斯拉正处于公司历史上最为关键的时刻。在此之前，特斯拉已经发布了两款成功的豪华车型，但为了占据更多汽车市场份额，它把公司的未来押宝在了价格更为低廉、面向大众市场的车型上。
在这样的背景下，特斯拉Model 3应运而生。相比众多竞争对手，这款车拥有一项秘密技术优势，也就是一种叫作碳化硅的材料。电能源汽车的一大关键部件就是牵引逆变器，它负责从电池中提取电能，将其转化成不同形式的能源后，输送给驱动车轮的马达。
特斯拉的一大特色就是加速极快。为了实现这种效果，牵引逆变器就必须输出上千千瓦的电力——都足够给一个小型社区供能了——但同时还要保证足够高的可靠性，这样才能在性命攸关的高速公路上保证车内人员的生命安全。
在Model 3之前，牵引逆变器都是由硅制成的，而Model 3使用的是碳化硅（SiC），一种既含有硅又含有碳的化合物。负责生产特斯拉使用的碳化硅芯片的是一家欧洲公司，名叫“意法半导体”（STMicroelectronics）。该公司宣称，使用碳化硅芯片可以在显著缩减牵引逆变器体积和重量的前提下提升10%的行驶里程，这对汽车设计大有好处。“Model 3的空气阻力系数同跑车一样低，”研究电能源汽车零部件拆卸的日本名古屋大学工程师山本真义说，“它之所以能拥有这么好的流线型设计，就是因为牵引逆变器的尺寸和重量下降了。”
Model 3大获成功，部分原因就是其开创性的电力电子学设备。这款车也证明了电能源汽车大规模投入应用完全可行。（Model 3还让特斯拉成了全球最有价值的公司之一。）
“特斯拉迈出了了不起的一步，”法国高科技研究和战略咨询公司Yole Développement分析师在谈到特斯拉转而使用碳化硅牵引逆变器时说道，“他们在一年半内取得的成就令人惊叹。”
加利福尼亚州山景城的特斯拉超级充电站
随着特斯拉的快速崛起，其他汽车制造商也开始加快步入电能源汽车时代的脚步——在很多地方，这也是当地政府的要求。他们中有许多不仅计划在牵引逆变器中使用碳化硅，还准备在像DC转化器（为空调等车载部件供能）和车载充电器（汽车连上家用电源时，给电池充电的就是这个部件）这样的其他电子部件中使用这种新材料。碳化硅的生产成本要比硅高得多，但许多生产商认为，前者绝对物超所值。
2022年4月，半导体生产商在纽约北部开设了一间价值10亿美元的碳化硅“晶圆厂”。这家总部位于北卡罗来纳的公司已经与通用汽车等客户签订了供应芯片原材料的订单。通用汽车副总裁希尔潘 · 阿明（Shilpan Amin）说：“电能源汽车的用户都期待能有更高的续航里程，我们认为，要想生产出满足这个需要的电力电子学部件，碳化硅是必不可少的材料。”
纽约州州长凯西 · 霍楚（Kathy Hochul）在Wolfspeed工厂的开业仪式上毫不吝惜对这家公司的赞美：“在遥远的西海岸有一个叫作硅谷的小地方。你肯定也听说过吧？我觉得这地方多少有些被高估了。我愿意成为第一个欢迎你来我们这个碳化硅谷的人，因为这里才是未来。”
抛开本土因素不谈，在可以预见的将来，在总产值5 000亿美元的半导体市场（包括重要处理器和存储器芯片市场）上占据统治地位的仍旧会是硅。不过，在每年销售额大约200亿美元的电力电子学部件领域，碳化硅正在突飞猛进。按照Yole Développement的预测，到2027年，汽车用碳化硅的市场将从目前的10亿美元出头上升到50亿美元。
“要是没有碳化硅，就没有现在蓬勃发展的电能源汽车。”意法半导体公司总裁爱德华多 · 梅利（Edoardo Merli）说。
更好的砖块
硅和碳化硅在电子设备中都很有用，因为它们是半导体：它们可以在电导体（比如金属）和绝缘体（比如大多数塑料）间来回切换。这个性质让半导体成了制作晶体管的关键材料，而晶体管是构筑现代电子学大厦的基本砖块。
碳化硅与硅的不同之处在于，前者的带隙更宽，这意味着，碳化硅在导体与绝望体这两种状态间切换所需的能量更多。宽带隙半导体在电力电子学部件中具有重要作用，因为它们可以更为高效地输出更多能量。
而碳化硅是宽带隙半导体世界中的高级公民，从几十年前开始就一直在朝着充当晶体管制作材料的方向发展。与此同时，工程师也开始尝试使用一些全新的宽带隙材料，比如氮化镓（GaN）。20世纪80年代，研究人员使用氮化镓开发了全球第一批明亮的蓝光LED灯。蓝光由高能光子构成。宽带隙的氮化镓是第一种可以在实践中产生足够高能量光子的半导体。2014年，三名科学家凭借蓝光LED的发明，获得了诺贝尔物理学奖。如今，蓝光LED已经无处不在，最常见的就是各类屏幕和灯泡。
英国曼彻斯特大学光子科学研究所的科研人员正在研究一块涂有氮化镓的工业蓝宝石晶圆碎片
最近，研究人员开始利用氮化镓提升电力电子学部件性能。在过去的几年里，用这种材料制造手机、电脑适配器的商业化开发已经走向成熟。相比用硅晶体管制成的传统适配器，用氮化镓制造的新型适配器更小、更轻、充电更快也更高效。
“你买的那些传统电脑适配器充电效率大概是90%，”为苹果公司供应氮化镓笔记本电脑适配器（2021年秋天正式发布）晶体管的加拿大公司GaN Systems首席执行官吉姆 · 威瑟姆（Jim Witham）说，“氮化镓适配器的充电效率是98%。也就是说，能量损耗只有传统适配器的20%。”
按照Yole Développement的预测，到2027年，氮化镓市场将从目前的总计2亿美元左右上升到20亿美元。
宽带隙材料在其他领域的应用也在稳步推进。数据中心这种大型设施里到处都是计算机服务器——正是它们保障了我们所有人都需要的线上服务——其耗电量之高家喻户晓。为数据中心提供高端电源的供应商Compuware表示，相比传统电源设备，他们的氮化镓电源可以减少25%左右的电能损耗且减少20%左右的设备体积，这样一来，客户就能在原来的机架上运行更多服务器了。这家公司还表示，全球各大公司的数据中心都在使用他们的氮化镓电源。
工程师们还在研究如何借助宽带隙材料更好地利用可再生能源。太阳能电池和风力涡轮通过逆变器向居民家庭或电网供电，这个领域的很多公司都认为氮化镓能比硅更好地完成这项任务。为各类太阳能设备提供逆变器的供应商Enphase目前正在测试用氮化镓制作的逆变器能否在数十年的严酷户外环境中保证性能。在其中的一项测试中，Enphase将氮化镓逆变器装入高压锅中，再将高压锅放到一个密封的容器内，最后把整个容器沉入水中。在为期21天的测试周期中，研究人员让水温在-40℉~185℉（-4.4℃~85℃）这个范围内波动变化。如果用氮化镓制作的逆变器能够经受住这些挑战，Enphase的联合创办人拉古 · 贝鲁尔（Raghu Belur）就计划尽快改用这种新材料制造各种设备。“未来绝对是属于氮化镓的。”他这样说。
在2021年的一次投资者大会上，Enphase的一位高级工程师还提出了一个更为大胆的预测：“硅时代已经终结。”
生产宽带隙材料设备的公司很大程度上躲过了疫情期间硅供应链严重收紧的巨大影响。早在新冠疫情深刻影响全球贸易之前，碳化硅和氮化镓这两种新材料的发展势头就相当迅猛。对这两种材料感兴趣的公司也早就与生产商签订了订单，因此，他们能在疫情的大背景下继续平稳运作。客观上说，新冠危机的确帮到了一些宽带隙半导体制造商：在当前硅供应链危机的背景下，许多接连受挫的芯片买家已经同宽带隙半导体制造商签订了长期合作协议，以规避未来其他材料也出现类似的问题。
15.4
法国圣乌昂洛莫纳的一家数据中心。数据中心里这些密密麻麻的集线器很占空间，而且也很耗电，这两个问题现在几乎人尽皆知。宽带隙材料的出现有助于缓解这个症结
生命周期的周期
虽然各大公司现在才刚刚开始把原材料硅升级成碳化硅和氮化镓，但研究人员已经开始研发能够进一步提升电力电子学设备性能的新宽带隙材料。2012年，日本国家信息和通信技术研究所研究员东胁正高宣布用氧化镓制成了一种应用前景广阔的晶体管。氧化镓这种材料的带隙比碳化硅和氮化镓还要宽得多。东胁正高博士表示，用氧化镓制成的部件能源损耗要比硅、碳化硅和氮化镓都要低得多，因而“效率大大提升”。毫无疑问，科学家们正在快速研发出像氧化镓这样的新材料。东胁正高博士期望，在未来十年里，就能看到像氧化镓这样的新材料应用到电能源车牵引逆变器这样的设备中。
资料来源 The New York Times
