Galliumnitrid ist das Silizium der Zukunft

Anker hat seinen winzigen neuen Power Brick vorgestellt, und das Unternehmen führt seine geringe Größe auf die Komponente zurück, die es anstelle von Silizium verwendet: Galliumnitrid (GaN). Es ist das jüngste Beispiel für die wachsende Beliebtheit dieses transparenten, glasähnlichen Materials, das eines Tages Silizium ablösen und den Energieverbrauch weltweit senken könnte.

Seit Jahrzehnten ist Silizium das Rückgrat der Technologieindustrie, aber wir „stoßen an eine theoretische Grenze, wie sehr es verbessert werden kann“, sagt Danqing Wang, ein Doktorand an der Harvard University, der GaN-Forschung betreibt. Alle Materialien haben eine „Bandlücke“, die sich darauf bezieht, wie gut sie Strom leiten können. GaN hat eine breitere Bandlücke als Silizium, was bedeutet, dass es höheren Spannungen standhalten kann als Silizium, und der Strom kann schneller durch das Gerät fließen, sagt Martin Kuball, ein Physiker an der Universität Bristol, der ein Projekt über GaN in der Leistungselektronik leitet. (Im Video oben hilft Kuball bei der Erklärung von GaN, während das Team von Verge Science das neue Ladegerät von Anker auseinander nimmt.)

Als Ergebnis ist GaN-Elektronik viel effizienter als ihre Silizium-Gegenstücke, und sie verliert weniger Energie. „Man kann die Dinge sehr klein machen oder mehr GaN auf die gleiche Fläche packen“, sagt Wang. „Die Leistung ist besser.“ Und wenn man weniger Energie verliert, kann man nicht nur die Ladegeräte kleiner machen, sondern auch von vornherein weniger Strom verbrauchen. Kuball zufolge könnte der Ersatz der gesamten derzeitigen Elektronik durch GaN den Stromverbrauch um 10 bis 25 Prozent senken.

Da GaN auch bei höheren Temperaturen als Silizium überleben kann, kann seine Verwendung das Design in komplizierteren Umgebungen beeinflussen. Zurzeit wird die Elektronik in einem Auto weit entfernt vom Motor montiert, damit sie nicht zu heiß wird, sagt Kuball. GaN hebt diese Einschränkung auf und könnte neue Möglichkeiten eröffnen, die die Art und Weise, wie Autos in Zukunft konstruiert werden, verändern.

Das Material ist seit langem in einem anderen Bereich dominant: Laser und Photonik. GaN ist eines der wenigen Materialien, das blaues Licht abgibt; es wird in Blu-rays verwendet, um das Lesen von Discs zu ermöglichen. Es wird auch häufig in LEDs verwendet. Wangs Team stellt winzige GaN-Laser von der Größe eines Mikrometers her – das ist ein Hundertstel der Größe eines menschlichen Haares und zu klein, um es mit bloßem Auge zu sehen -, die in Mikroskopen eingesetzt werden können, um die Forschung präziser zu machen.

Abgesehen von der Photonik, warum haben wir Silizium noch nicht durch GaN ersetzt? „Silizium ist sehr ausgereift“, sagt Kuball. „Die Menschen haben sich daran gewöhnt und arbeiten schon lange damit, und wenn man ein neues Material oder eine neue Elektronik einführt, muss man natürlich immer wieder die Zuverlässigkeit testen.“ GaN ist auch kein perfektes Material, fügt Wang hinzu, denn einige Methoden der Züchtung können Defekte verursachen, die es weniger effektiv machen.

Aber wir sind an Silizium gewöhnt. Es ist billig, und alle Fertigungstechniken sind bereits dafür eingerichtet. GaN ist noch ein wenig teurer. „Die Umstellung auf Galliumnitrid ist mit einigem Aufwand verbunden“, sagt Wang, obwohl sie darauf hinweist, dass einige Leute nach Möglichkeiten suchen, Galliumnitridkristalle auf Silizium zu züchten, in der Hoffnung, die Vorteile der bestehenden Herstellungsplattformen nutzen zu können. Anker sagt, dass GaN zwar derzeit teurer ist als Silizium, dass aber GaN-Ladegeräte weniger Komponenten benötigen als Silizium-Ladegeräte, was ihren Preis wettbewerbsfähig macht. Das Unternehmen hofft, GaN-Materialien auch in anderen Komponenten, einschließlich tragbarer Batterien, einsetzen zu können.

Große Halbleiterhersteller wie Texas Instruments und Nexperia haben laut Kuball GaN-Forschungsprogramme, und es gibt keinen Mangel an Start-ups, die an dieser Technologie arbeiten. Dennoch müssen wir die wahren Auswirkungen von GaN im Bereich der Leistungselektronik erst noch sehen. „Diese kleinen Adapter sind ein nettes Spielzeug, aber wirklich wichtig wird GaN erst bei Wandlern für Elektroautos und Photovoltaik“, fügt Kuball hinzu. In der Zwischenzeit ist es eine coole Sache, etwas Kleineres zu haben.“

Aktualisierung am 12. Februar 2019, 10AM ET: Dieser Artikel wurde ursprünglich am 2. November 2018 veröffentlicht und wurde aktualisiert, um das Video einzubeziehen.

Aktualisierung 2. November 2018, 9:20 Uhr: Dieser Beitrag wurde aktualisiert, um eine Stellungnahme von Anker einzubeziehen.