大多數(shù)LED屏幕以及現(xiàn)在大量室內(nèi)照明的LED燈中使用的都是金屬鎵。雖然它不像硅那樣廣為人知，但它正在接管硅曾經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位的許多領(lǐng)域——從天線到充電模塊和其他被稱(chēng)為“電力電子”的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在此過(guò)程中，它實(shí)現(xiàn)了一系列令人驚訝的新技術(shù)，從更快充電的手機(jī)到更輕的電動(dòng)汽車(chē)，再到運(yùn)行我們使用的服務(wù)和應(yīng)用程序的更節(jié)能的數(shù)據(jù)中心。

作為從巖石中提取鋁的副產(chǎn)品，鎵的熔化溫度很低，以至于當(dāng)您將其握在手中時(shí)，它會(huì)變成一種流動(dòng)的銀白色液體。就其本身而言，它并不是非常有用。

但如果將其與氮結(jié)合，制成氮化鎵，它將變成具有寶貴特性的堅(jiān)硬晶體。這種被稱(chēng)為第三代半導(dǎo)體的材料現(xiàn)在開(kāi)始出現(xiàn)在許多自動(dòng)駕駛汽車(chē)中使用的激光傳感器、支持當(dāng)今快速蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的天線中，并且越來(lái)越多地出現(xiàn)在對(duì)提高可再生能源收集效率至關(guān)重要的電子產(chǎn)品中。

許多由氮化鎵（也稱(chēng)為GaN）制成的的東西正在電力電子領(lǐng)域發(fā)生變化。今天，您可以購(gòu)買(mǎi)帶有足夠電量的小型USB-C充電器，它可以同時(shí)為您的筆記本電腦、手機(jī)和平板電腦供電，即使它們并不比我們的小工具多年來(lái)隨附的功率低得多的版本大很多。

將一種電壓電平轉(zhuǎn)換為另一種電壓電平的電力電子設(shè)備也是電動(dòng)汽車(chē)許多方面的關(guān)鍵。芯片制造商GaN Systems的首席執(zhí)行官Jim Witham表示，它們更小、更輕、更高效并且散發(fā)的熱量更少，因此電動(dòng)汽車(chē)充電后可以行駛更遠(yuǎn)。他補(bǔ)充說(shuō)，這些產(chǎn)品也非常擅長(zhǎng)從太陽(yáng)能電池板等可再生能源中榨取更多的電力。在多次發(fā)生時(shí)，即使是很小的電力轉(zhuǎn)換效率也會(huì)增加，例如在包括電池存儲(chǔ)的可再生能源電網(wǎng)中。

GaN可能是一種奇跡材料，但它面臨著來(lái)自久經(jīng)考驗(yàn)的真正硅和越來(lái)越多的新材料的競(jìng)爭(zhēng)，這些新材料顯示出徹底改變我們的電子產(chǎn)品的潛力。盡管如此，它的用途仍在擴(kuò)大。GaN Systems也有客戶(hù)在數(shù)據(jù)中心測(cè)試其芯片，在那里降低功耗和廢熱可以轉(zhuǎn)化為大量的電費(fèi)節(jié)省。然而其數(shù)據(jù)中心客戶(hù)均未公開(kāi)承認(rèn)使用該技術(shù)。

在開(kāi)始的時(shí)候，GaN還只是實(shí)驗(yàn)室的一種產(chǎn)物。然后五角大樓對(duì)其產(chǎn)生了興趣，因?yàn)樗麄冃枰獙ふ倚滦碗娮釉O(shè)備來(lái)驅(qū)動(dòng)下一代雷達(dá)和無(wú)線通信。劍橋大學(xué)材料科學(xué)教授兼氮化鎵中心主任雷切爾奧利弗說(shuō)，從2000年左右開(kāi)始，國(guó)防部高級(jí)研究機(jī)構(gòu)Darpa的資助推動(dòng)了克服氮化鎵商業(yè)化的許多障礙所需的實(shí)驗(yàn)。

除了在民用領(lǐng)域的無(wú)數(shù)應(yīng)用之外，GaN現(xiàn)在還出現(xiàn)在軍 用硬件中，用于從無(wú)線電干擾到導(dǎo) 彈防御的所有領(lǐng)域，這一切都得益于其獨(dú)特的特性。

與硅相比，GaN可以處理相對(duì)大量的電流。Oliver博士說(shuō)，它具有不同尋常的特性，既擅長(zhǎng)移動(dòng)電子，又擅長(zhǎng)不讓它們?nèi)ツ悴幌Ｍ鼈內(nèi)サ牡胤剑@使得它既有用又相對(duì)安全。

除了導(dǎo)電能力外，GaN還能夠在比硅高得多的頻率下工作——在商業(yè)應(yīng)用中快30到500倍——這使得充電器比傳統(tǒng)充電器更小或提供更多功率。

隨著我們的整個(gè)世界變得越來(lái)越電氣化，從我們的能源到使用它的設(shè)備，任何能更有效地執(zhí)行將電力從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的關(guān)鍵但容易忽視的功能的東西都有可能成為兩者無(wú)處不在，是巨大的收入來(lái)源。這就是為什么這個(gè)領(lǐng)域有數(shù)十家初創(chuàng)公司和成熟公司的原因，包括Navitas Semiconductor、GaN Systems、Power Integrations、德州儀器、英飛凌和意法半導(dǎo)體。

然而，GaN電力電子市場(chǎng)仍處于起步階段。Gartner研究副總裁George Brocklehurst表示，2019年，所有晶體管的整個(gè)市場(chǎng)約為160億美元，而Navitas、GaN Systems和其他公司提供的晶體管市場(chǎng)為4500萬(wàn)美元。

還有其他潛在的革命性材料開(kāi)始與硅競(jìng)爭(zhēng)，例如石墨烯，但GaN微芯片具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，它們可以在制造傳統(tǒng)微芯片的同類(lèi)制造設(shè)施（稱(chēng)為晶圓廠）中生產(chǎn)，Navitas的市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)負(fù)責(zé)人斯蒂芬?jiàn)W利弗說(shuō)。

因?yàn)樗鼈儾恍枰钕冗M(jìn)的芯片制造技術(shù)，所以GaN芯片可以在舊的、折舊完的晶圓廠生產(chǎn)，否則這些晶圓廠可能會(huì)閑置。Oliver先生說(shuō)，一個(gè)幸運(yùn)的副作用是GaN芯片供應(yīng)沒(méi)有趕上更廣泛的全球半導(dǎo)體短缺。Navitas的芯片目前在仍由臺(tái)灣芯片制造巨頭臺(tái)積電運(yùn)營(yíng)的最古老的晶圓廠制造。

GaN的采用率現(xiàn)在變得如此普遍，以至于價(jià)格正在迅速下降。這就是為什么您現(xiàn)在可以以20到70美元的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)GaN充電器，它在各方面都比您的小工具隨附的充電器要好。

GaN Systems等公司正在將該技術(shù)推向其他領(lǐng)域。寶馬和豐田都是他們的投資者。2019年，豐田展示了一款原型車(chē)，該車(chē)采用完全基于GaN的電力電子設(shè)備，從汽車(chē)的車(chē)載充電器到LED燈。

但是，GaN芯片不是灌籃高手。材料科學(xué)的進(jìn)步產(chǎn)生了少數(shù)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。Gartner的Brocklehurst先生說(shuō)，傳統(tǒng)的硅功率電子器件在大多數(shù)應(yīng)用中仍然占主導(dǎo)地位，而在汽車(chē)領(lǐng)域，碳化硅是一種與GaN具有許多相同特性的替代品，有著更長(zhǎng)的記錄。

一系列有前途但不太了解的物質(zhì)可以讓前面提到的所有物質(zhì)都物有所值，包括氧化鎵和氧化鋁。Oliver博士說(shuō)，兩者都是可以圖案化成微芯片的半導(dǎo)體。

材料革命尚未發(fā)生的地方是最大的半導(dǎo)體市場(chǎng)：為我們的計(jì)算機(jī)供電的處理器。直到最近，Oliver博士說(shuō)，GaN只能做傳統(tǒng)硅晶體管能做的一半的事情。

到目前為止，GaN無(wú)法處理運(yùn)行由傳統(tǒng)硅邏輯芯片執(zhí)行的計(jì)算所需的電流。但最近的研究結(jié)果表明，這種情況可能正在發(fā)生變化。

“如果幾年前你問(wèn)我是否會(huì)在邏輯上看到GaN，我會(huì)說(shuō)：‘哦，別傻了，’”她說(shuō)。“但現(xiàn)在這是可能的，它可能會(huì)讓更快的設(shè)備成為可能。”

審核編輯 ：李倩