一种名为氮化镓（GaN）的奇特材料有望成为功率电子领域的下一代半导体，其效率远高于硅。
2013年，美国能源部（DOE）将一家耗资1.4亿美元的电力电子研究所约一半的经费用于氮化镓研究，理由是其有望降低全球能源消耗。如今，MIT衍生公司Cambridge Electronics Inc.（CEI）宣布推出一系列氮化镓晶体管和功率电子电路，承诺到2025年使全球数据中心、电动汽车和消费设备的能耗降低10%至20%。
电力电子是一项无处不在的技术，用于将电力转换为更高或更低的电压以及不同的电流，例如笔记本电脑的电源适配器，或将电压转换并向用户分配电力的电力变电站。许多此类电力电子系统依赖通过开关通断来调节电压的硅晶体管，但受速度和电阻限制，这些晶体管会以热量的形式浪费能量。
据该公司称，CEI的氮化镓晶体管的电阻至少为此类硅基晶体管的十分之一。这使其能效大幅提高，开关频率快几个数量级，意味着采用这些元件的电力电子系统可以做得更小。CEI正在利用其晶体管开发电力电子产品，使数据中心耗能更低、电动汽车更便宜、性能更强，并使笔记本电脑电源适配器体积缩小至三分之一，甚至小到可以装入电脑内部。
“这是一个千载难逢的机会，可以改变电子产品，并真正影响全球能源使用方式，”CEI联合创始人、MIT电气工程与计算机科学副教授Tomás Palacios表示，他也是该技术的共同发明人之一。
其他联合创始人兼共同发明人包括：Anantha Chandrakasan，Joseph F. and Nancy P. Keithley电气工程教授，现任CEI技术顾问委员会主席；校友Bin Lu（SM ’07，PhD ’13），CEI器件开发副总裁；Ling Xia（PhD ’12），CEI运营总监；Mohamed Azize，CEI外延总监；以及Omair Saadat（PhD ’14），CEI产品可靠性总监。
让氮化镓成为可能
尽管氮化镓晶体管相较硅基器件有多项优势，但安全隐患和昂贵的制造方法在很大程度上使其无法进入市场。而Palacios、Lu、Saadat以及其他MIT研究人员通过2000年代后期的设计创新克服了这些问题。
功率晶体管的设计目标是在导通时允许大电流通过，在关断时阻断高电压。如果电路断开或失效，晶体管必须默认进入“关断”状态以切断电流，避免短路等问题，这是硅功率晶体管的一项重要特性。
然而，氮化镓晶体管通常为“常开”型，也就是说，默认情况下它们总是允许电流通过，而这一点历来难以纠正。研究人员利用MIT微系统技术实验室的资源，并在国防部和能源部资助的支持下，通过改变材料结构，开发出了“常关”型氮化镓晶体管。
制造传统氮化镓晶体管时，科学家会在衬底上生长一层薄薄的氮化镓。MIT研究人员则在其氮化镓晶体管中叠加了多种成分不同的材料。找到精确的配比后，便得到了一种默认处于关断状态的新型氮化镓晶体管。
“我们总是把氮化镓称为镓和氮，但你可以改变基础氮化镓材料，添加杂质和其他元素，从而改变其特性，”Palacios说。
但氮化镓和其他非硅半导体的生产采用特殊工艺，成本高昂。为降低成本，MIT研究人员（在校期间，后来还与公司合作）开发了新的制造技术，即“工艺配方”，Lu表示。这尤其包括：用与硅制造工艺兼容的金属替代制造氮化镓器件时所用的金，以及开发将氮化镓沉积到硅代工厂所用大尺寸晶圆上的方法。
“基本上，我们是在传统硅代工厂中制造先进的氮化镓晶体管和电路，成本与硅相当。成本相同，但新器件的性能提升了100倍，”Lu说。
主要应用
CEI目前正利用其先进晶体管开发笔记本电脑电源适配器，其体积约为1.5立方英寸，是迄今为止最小的产品。
Palacios表示，这些晶体管的另一可行应用是为谷歌、亚马逊、Facebook等公司运营的数据中心提供更好的电力电子器件，以支撑云端服务。
目前，这些数据中心约占美国用电量的2%。Palacios表示，基于氮化镓的电力电子器件可以节省其中相当可观的一部分。
Palacios补充说，另一项主要的未来应用是取代电动汽车中基于硅的电力电子器件。这些器件用于为电池充电的充电器，以及将电池电能转换为驱动电机电能的逆变器。目前使用的硅晶体管功率能力受限，限制了汽车所能处理的功率。这也是大型电动汽车较少的主要原因之一。
另一方面，基于氮化镓的电力电子器件可以提高电动汽车的功率输出，同时使其更节能、更轻，因此也更便宜，并能够行驶更远距离。“电动汽车很受欢迎，但仍属于小众产品。氮化镓电力电子器件将是其走向主流的关键，”Palacios说。
创新理念
在创办CEI时，MIT创始人借助了学院的创业项目，这些项目推动了初创公司的发展。“MIT的创新与创业生态系统是让事情持续推进并达到我们今天所处阶段的关键，”Palacios说。
Palacios首先获得了Deshpande Center for Technological Innovation的一笔资助，用于创办CEI。此后，他将基于氮化镓的电力电子器件构想带到了创新团队（i-Teams）项目中。该项目汇集了来自MIT不同学科的学生，用于评估新技术的商业可行性。他表示，该项目让他看到了市场对氮化镓电力电子器件的巨大需求，并帮助CEI确定了其首批产品。
“通常情况正好相反：你拿出一项惊人的技术，然后去寻找应用场景。而这次，多亏了i-Teams，我们发现有许多应用正在寻找这项技术，”Palacios说。
Lu认为，促进CEI成长的关键因素是旁听 Start6，这是由电气工程与计算机科学系主办的一个研讨会，创业型工程专业学生在其中通过小组讨论以及资深创业者的讲座，接受初创公司创办流程的指导。除其他内容外，Lu在此了解了股权分配、融资、组建团队以及其他早期创业挑战等方面的观点。
“这对于有想法但不完全了解商业运作的学生来说是一门很好的课程，”Lu说。“它大致概述了创业过程将是什么样子，所以当你创办自己的公司时，你就准备好了。”
本文与 MIT News合作发表。刊发本文并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Rob Matheson为MIT News撰稿。
图片：一家DIY商店中展示的带碳丝的传统白炽灯。REUTERS/Ina Fassbender。
