Galliumnitrid är framtidens kisel

Anker har presenterat sin nya lilla power brick, och företaget förklarar den lilla storleken med den komponent som används i stället för kisel: galliumnitrid (GaN). Det är det senaste exemplet på den växande populariteten för detta genomskinliga, glasliknande material som en dag skulle kunna ersätta kisel och minska energianvändningen över hela världen.

I årtionden har kisel varit ryggraden i teknikindustrin, men vi håller på att ”nå en teoretisk gräns för hur mycket det kan förbättras”, säger Danqing Wang, doktorand vid Harvard University som bedriver GaN-forskning. Alla material har ett ”bandgap”, som är relaterat till hur väl de kan leda elektricitet. GaN har ett bredare bandgap än kisel, vilket innebär att det kan klara högre spänningar än vad kisel klarar, och strömmen kan rinna snabbare genom enheten, säger Martin Kuball, fysiker vid universitetet i Bristol som leder ett projekt om GaN i kraftelektronik. (I videon ovan hjälper Kuball till att förklara GaN när Verge Science-teamet tar isär Ankers nya laddare.)

Som ett resultat är GaN-elektronik mycket effektivare än sina motsvarigheter i kisel, och de förlorar mindre energi. ”Man kan göra saker och ting väldigt små, eller så kan man packa in mer GaN på samma yta”, säger Wang. ”Prestandan är bättre.” Och när man förlorar mindre energi kan man inte bara göra laddningsenheterna mindre, utan man kan också använda mindre energi från början. Enligt Kuball skulle en ersättning av all nuvarande elektronik med GaN potentiellt kunna minska strömförbrukningen med 10 eller 25 procent.

På grund av att GaN kan överleva i högre temperaturer än kisel kan användningen av GaN dessutom påverka designen i mer komplicerade miljöer. Just nu monteras elektroniken i en bil långt från motorn för att den inte ska bli för varm, säger Kuball. GaN raderar denna begränsning och kan öppna upp nya möjligheter som förändrar hur bilar utformas i framtiden.

Materialet har länge varit dominerande inom ett annat område: lasrar och fotonik. GaN är ett av de få material som avger blått ljus; det används i Blu-rays för att göra skivläsning möjlig. Det används också ofta i lysdioder. Wangs grupp tillverkar små GaN-lasrar i storleken av en mikrometer – vilket är 1/100 av storleken på ett människohår och för litet för att ses med blotta ögat – som kan användas i mikroskop för att göra forskningen mer exakt.

Fotonik åsido, varför har vi inte ersatt kisel med GaN ännu? ”Kisel är mycket moget”, säger Kuball. ”Folk är vana vid det och har gjort det här under lång tid, och det man upptäcker när man introducerar en ny typ av material eller elektronik är att man måste fortsätta att testa dess tillförlitlighet.” GaN är inte heller ett perfekt material, tillägger Wang, eftersom vissa metoder för att odla det kan orsaka defekter som gör det mindre effektivt.

Men vi är vana vid kisel. Det är billigt och alla tillverkningstekniker är redan inrättade för det. GaN är fortfarande lite dyrare. ”Det krävs en viss ansträngning för att gå över till galliumnitrid, säger Wang, även om hon påpekar att vissa människor tittar på sätt att odla galliumnitridkristaller ovanpå kisel i hopp om att kunna dra nytta av de befintliga tillverkningsplattformarna. Anker å sin sida säger att även om GaN är dyrare än kisel just nu behöver GaN-laddare färre komponenter än kiselladdare, vilket gör deras pris konkurrenskraftigt. Företaget hoppas kunna använda GaN-material i andra komponenter, inklusive bärbara batterier.

Stora halvledartillverkare som Texas Instruments och Nexperia har GaN-forskningsprogram, enligt Kuball, och det råder ingen brist på nystartade företag som arbetar med tekniken. Ändå har vi ännu inte sett GaN:s verkliga inverkan på kraftelektronikområdet. ”Dessa små adaptrar är en trevlig leksak, men där GaN verkligen kommer att spela roll är i omvandlare för elbilar och solceller”, tillägger Kuball. Under tiden ”är det en cool liten sak att ha något mindre.”

Uppdatering den 12 februari 2019 kl. 10.00 ET: Den här artikeln publicerades ursprungligen den 2 november 2018 och har uppdaterats för att inkludera videon.

Uppdatering 2 november 2018, 9:20: Det här inlägget har uppdaterats för att inkludera ett uttalande från Anker.