Galliumnitride is het silicium van de toekomst

Anker heeft een nieuwe, piepkleine bouwsteen voorgesteld. Het bedrijf schrijft de kleine afmetingen toe aan de component die in plaats van silicium wordt gebruikt: galliumnitride (GaN). Het is het nieuwste voorbeeld van de groeiende populariteit van dit transparante, glasachtige materiaal dat op een dag silicium zou kunnen verdringen en wereldwijd het energieverbruik zou kunnen verminderen.

Silicium is al tientallen jaren de ruggengraat van de technologie-industrie, maar we “bereiken een theoretische limiet op hoeveel het kan worden verbeterd,” zegt Danqing Wang, een promovendus aan de Harvard University die GaN-onderzoek doet. Alle materialen hebben een “band gap”, die gerelateerd is aan hoe goed ze elektriciteit kunnen geleiden. GaN heeft een bredere bandkloof dan silicium, wat betekent dat het hogere spanningen kan verdragen dan silicium kan verdragen, en dat de stroom sneller door het apparaat kan lopen, zegt Martin Kuball, een fysicus aan de Universiteit van Bristol die een project leidt over GaN in vermogenselektronica. (In de video hierboven helpt Kuball GaN uit te leggen terwijl het Verge Science-team de nieuwe oplader van Anker uit elkaar scheurt.)

Als gevolg hiervan is GaN-elektronica veel efficiënter dan hun siliciumtegenhangers, en ze verliezen minder energie. “Je kunt dingen heel klein maken, of je kunt meer GaN op hetzelfde oppervlak verpakken,” zegt Wang. “De prestaties zijn beter.” En als je minder energie verliest, kun je niet alleen oplaadapparaten kleiner maken, maar kun je ook minder stroom gebruiken. Volgens Kuball zou het vervangen van alle huidige elektronica door GaN het stroomverbruik met 10 tot 25 procent kunnen verminderen.

Plus, omdat GaN bij hogere temperaturen kan overleven dan silicium, kan het gebruik ervan het ontwerp in meer gecompliceerde omgevingen beïnvloeden. Op dit moment wordt de elektronica in een auto ver weg van de motor gemonteerd om te voorkomen dat ze te heet wordt, zegt Kuball. GaN wist deze beperking uit en zou nieuwe mogelijkheden kunnen openen die veranderen hoe auto’s in de toekomst worden ontworpen.

Het materiaal is lang dominant geweest op een ander gebied: lasers en fotonica. GaN is een van de weinige materialen die blauw licht afgeven; het wordt gebruikt in Blu-rays om het lezen van schijven mogelijk te maken. Het wordt ook vaak gebruikt in LED’s. Wangs team maakt kleine GaN-lasers ter grootte van een micron – dat is 1/100e van de grootte van een menselijke haar en te klein om met het blote oog te zien – die in microscopen kunnen worden gebruikt om onderzoek nauwkeuriger te maken.

Afgezien van de fotonica, waarom hebben we silicium nog niet vervangen door GaN? “Silicium is zeer volwassen,” zegt Kuball. “Mensen zijn eraan gewend en doen dit al heel lang, en wat je natuurlijk vindt als je een nieuw type materiaal of elektronica introduceert, is dat je het moet blijven testen op betrouwbaarheid.” GaN is ook geen perfect materiaal, voegt Wang eraan toe, omdat sommige methoden om het te kweken defecten kunnen veroorzaken die het minder effectief maken.

Maar we zijn gewend aan silicium. Het is goedkoop, en alle fabricagetechnieken zijn er al op ingesteld. GaN is nog steeds een beetje duurder. “Het kost wat moeite om over te schakelen op galliumnitride,” zegt Wang, hoewel ze erop wijst dat sommige mensen manieren onderzoeken om galliumnitride kristallen bovenop silicium te laten groeien in de hoop te kunnen profiteren van de bestaande productieplatforms. Anker zegt dat GaN op dit moment weliswaar duurder is dan silicium, maar dat GaN-laders minder onderdelen nodig hebben dan siliciumladers, waardoor hun prijs concurrerend is. Het bedrijf hoopt GaN-materialen te gebruiken in andere componenten, waaronder draagbare batterijen.

Grote halfgeleiderfabrikanten zoals Texas Instruments en Nexperia hebben GaN-onderzoeksprogramma’s, volgens Kuball, en er is geen tekort aan startups die aan de technologie werken. Toch moeten we de echte impact van GaN op het gebied van vermogenselektronica nog zien. “Deze kleine adapters zijn een leuk speeltje, maar waar GaN er echt toe zal doen is in converters voor elektrische auto’s en fotovoltaïsche cellen,” voegt Kuball toe. In de tussentijd, “het is een cool klein ding om iets kleiners te hebben.”

Update 12 februari 2019, 10AM ET: Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd op 2 november 2018, en het is bijgewerkt om de video op te nemen.

Update 2 november 2018, 9:20AM: Dit bericht is bijgewerkt met een verklaring van Anker.