Galliumnitridi on tulevaisuuden pii

Anker on esitellyt uuden pienikokoisen tehotiilinsä, jonka pienen koon yhtiö perustelee piitä korvaavalla komponentilla: galliumnitridillä (GaN). Se on uusin esimerkki tämän läpinäkyvän, lasin kaltaisen materiaalin kasvavasta suosiosta, joka voi jonain päivänä syrjäyttää piin ja vähentää energiankulutusta maailmanlaajuisesti.

Piikki on ollut vuosikymmeniä teknologiateollisuuden selkäranka, mutta olemme ”saavuttamassa teoreettisen rajan sille, kuinka paljon sitä voidaan parantaa”, sanoo Danqing Wang, joka tekee GaN-tutkimusta Harvardin yliopistossa. Kaikilla materiaaleilla on ”kaistaväli”, joka liittyy siihen, miten hyvin ne pystyvät johtamaan sähköä. GaN:llä on laajempi kaista-aukko kuin piillä, mikä tarkoittaa, että se kestää suurempia jännitteitä kuin pii, ja virta kulkee laitteen läpi nopeammin, sanoo Martin Kuball, Bristolin yliopiston fyysikko, joka johtaa GaN:ää tehoelektroniikassa käsittelevää hanketta. (Yllä olevalla videolla Kuball auttaa selittämään GaN:ää, kun Verge Science -tiimi repii Ankerin uuden laturin kappaleiksi.)

Tuloksena GaN-elektroniikka on paljon tehokkaampaa kuin piistä valmistetut vastineensa, ja se menettää vähemmän energiaa. ”Asioista voi tehdä hyvin pieniä, tai samaan pinta-alaan voi pakata enemmän GaN:ää”, Wang sanoo. ”Suorituskyky on parempi.” Ja kun energiaa häviää vähemmän, latauslaitteista voidaan tehdä pienempiä, mutta myös virtaa voidaan käyttää vähemmän ylipäätään. Kuballin mukaan kaiken nykyisen elektroniikan korvaaminen GaN:llä voisi mahdollisesti vähentää virrankulutusta 10 tai 25 prosenttia.

Plussana, koska GaN kestää korkeampia lämpötiloja kuin pii, sen käyttö voi vaikuttaa suunnitteluun monimutkaisemmissa ympäristöissä. Tällä hetkellä auton elektroniikka on asennettu kauas moottorista, jotta se ei kuumenisi liikaa, Kuball sanoo. GaN poistaa tämän rajoituksen ja voi avata uusia mahdollisuuksia, jotka muuttavat autojen suunnittelua tulevaisuudessa.

Materiaali on jo pitkään hallinnut toista alaa: lasereita ja fotoniikkaa. GaN on yksi harvoista materiaaleista, jotka säteilevät sinistä valoa; sitä käytetään Blu-rayssa levyjen lukemisen mahdollistamiseksi. Sitä käytetään usein myös LEDeissä. Wangin työryhmä valmistaa pieniä mikronin kokoisia GaN-lasereita – mikä on 1/100 ihmisen hiuksen koosta ja liian pieni paljain silmin havaittavaksi – joita voidaan käyttää mikroskoopeissa tutkimuksen tarkentamiseksi.

Fotoniikkaa lukuun ottamatta, miksi emme ole vielä korvanneet piitä GaN:llä? ”Pii on hyvin kypsä”, Kuball sanoo. ”Ihmiset ovat tottuneet siihen ja tehneet tätä jo pitkään, ja kun otetaan käyttöön uudenlainen materiaali tai elektroniikka, on selvää, että sen luotettavuutta on testattava jatkuvasti.” GaN ei myöskään ole täydellinen materiaali, Wang lisää, sillä jotkin sen kasvatusmenetelmät voivat aiheuttaa vikoja, jotka heikentävät sen tehokkuutta.

Mutta olemme tottuneet piihin. Se on halpaa, ja kaikki valmistustekniikat ovat jo valmiina sitä varten. GaN on vielä hieman kalliimpaa. ”Galliumnitridiin siirtyminen vaatii jonkin verran vaivaa”, Wang sanoo, vaikka hän huomauttaa, että jotkut tutkivat tapoja kasvattaa galliumnitridikiteitä piin päälle siinä toivossa, että he voisivat hyödyntää olemassa olevia valmistusalustoja. Anker puolestaan sanoo, että vaikka galliumnitraatti on tällä hetkellä kalliimpaa kuin pii, galliumnitraattilaturit tarvitsevat vähemmän komponentteja kuin piilaturit, mikä tekee niiden hinnasta kilpailukykyisen. Yhtiö toivoo voivansa käyttää GaN-materiaaleja myös muissa komponenteissa, kuten kannettavissa akuissa.

Suurilla puolijohdevalmistajilla, kuten Texas Instrumentsilla ja Nexperialla, on Kuballin mukaan GaN-tutkimusohjelmia, eikä teknologiaa työstävistä startup-yrityksistä ole pulaa. Silti emme ole vielä nähneet GaN:n todellista vaikutusta tehoelektroniikan alalla. ”Nämä pienet sovittimet ovat mukava lelu, mutta GaN:llä on todellista merkitystä sähköautojen ja aurinkosähkön muuntimissa”, Kuball lisää. Sillä välin ”se on siisti pikku juttu, kun on jotain pienempää.”

Päivitys 12. helmikuuta 2019, 10AM ET:

Päivitys 2. marraskuuta 2018, 9:20AM: Tämä artikkeli on päivitetty sisältämään Ankerin lausunto.