Galliumnitrid er fremtidens silicium

Anker har præsenteret sin lille nye power brick, og virksomheden tilskriver dens lille størrelse den komponent, den bruger i stedet for silicium: galliumnitrid (GaN). Det er det seneste eksempel på den voksende popularitet af dette gennemsigtige, glaslignende materiale, der en dag kan afløse silicium og reducere energiforbruget på verdensplan.

I årtier har silicium været rygraden i teknologibranchen, men vi “når en teoretisk grænse for, hvor meget det kan forbedres”, siger Danqing Wang, der er ph.d.-studerende ved Harvard University og forsker i GaN. Alle materialer har et “båndgab”, som er relateret til, hvor godt de kan lede elektricitet. GaN har et bredere båndgab end silicium, hvilket betyder, at det kan holde til højere spændinger, end silicium kan overleve, og strømmen kan løbe hurtigere gennem enheden, siger Martin Kuball, der er fysiker ved University of Bristol og leder et projekt om GaN i effektelektronik. (I videoen ovenfor hjælper Kuball med at forklare GaN, mens Verge Science-holdet skiller Ankers nye oplader ad.)

Som følge heraf er GaN-elektronik langt mere effektiv end deres modstykker af silicium, og de mister mindre energi. “Du kan gøre tingene meget små, eller du kan pakke mere GaN på det samme areal,” siger Wang. “Ydelsen er bedre.” Og når man mister mindre energi, kan man ikke blot gøre opladningsenhederne mindre, men man kan også bruge mindre strøm i første omgang. Ifølge Kuball kan man ved at erstatte al nuværende elektronik med GaN potentielt reducere strømforbruget med 10 eller 25 procent.

Plus, fordi GaN kan overleve ved højere temperaturer end silicium, kan brugen af det påvirke designet i mere komplicerede miljøer. Lige nu er elektronikken i en bil monteret langt væk fra motoren for at forhindre, at den bliver for varm, siger Kuball. GaN ophæver denne begrænsning og kan åbne op for nye muligheder, der ændrer den måde, biler designes på i fremtiden.

Materialet har længe været dominerende inden for et andet område: lasere og fotonik. GaN er et af de få materialer, der afgiver blåt lys; det bruges i Blu-rays for at gøre det muligt at læse diske. Det bruges også ofte i lysdioder. Wangs hold fremstiller bittesmå GaN-lasere på størrelse med en mikrometer – hvilket er 1/100 af størrelsen på et menneskehår og for lille til at kunne ses med det blotte øje – som kan bruges i mikroskoper for at gøre forskningen mere præcis.

Fotonik til side, hvorfor har vi så ikke erstattet silicium med GaN endnu? “Silicium er meget modent,” siger Kuball. “Folk er vant til det og har gjort det i lang tid, og det, man finder ud af, når man introducerer en ny type materiale eller elektronik, er naturligvis, at man er nødt til at blive ved med at teste det for pålidelighed.” GaN er heller ikke et perfekt materiale, tilføjer Wang, fordi nogle metoder til at dyrke det kan forårsage defekter, der gør det mindre effektivt.

Men vi er vant til silicium. Det er billigt, og alle fremstillingsteknikkerne er allerede indrettet til det. GaN er stadig en smule dyrere. “Det kræver en vis indsats at skifte til galliumnitrid”, siger Wang, selv om hun påpeger, at nogle mennesker ser på måder at dyrke galliumnitridkrystaller oven på silicium i håb om at drage fordel af de eksisterende fremstillingsplatforme. Anker siger på sin side, at selv om GaN er dyrere end silicium lige nu, har GaN-opladere brug for færre komponenter end siliciumopladere, hvilket gør deres pris konkurrencedygtig. Virksomheden håber at kunne bruge GaN-materialer i andre komponenter, herunder bærbare batterier.

Store halvlederproducenter som Texas Instruments og Nexperia har GaN-forskningsprogrammer, ifølge Kuball, og der er ingen mangel på nystartede virksomheder, der arbejder på teknologien. Alligevel mangler vi endnu at se GaN’s virkelige betydning inden for effektelektronik. “Disse små adaptere er et fint stykke legetøj, men der, hvor GaN virkelig vil få betydning, er i omformere til elbiler og solceller”, tilføjer Kuball. I mellemtiden “er det en cool lille ting at have noget mindre.”

Opdatering 12. februar 2019 kl. 10.00 ET: Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort den 2. november 2018, og den er blevet opdateret for at inkludere videoen.

Opdatering 2. november 2018, 9:20AM: Dette indlæg er blevet opdateret for at inkludere en erklæring fra Anker.