大多數LED屏幕以及現在大量室內照明的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占據主導地位的許多領域——從天線到充電模塊和其他被稱為“電力電子”的能量轉換系統。在此過程中，它實現了一系列令人驚訝的新技術，從更快充電的手機到更輕的電動汽車，再到運行我們使用的服務和應用程序的更節能的數據中心。

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

但如果將其與氮結合，制成氮化鎵，它將變成具有寶貴特性的堅硬晶體。這種被稱為第三代半導體的材料現在開始出現在許多自動駕駛汽車中使用的激光傳感器、支持當今快速蜂窩無線網絡的天線中，并且越來越多地出現在對提高可再生能源收集效率至關重要的電子產品中。

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

將一種電壓電平轉換為另一種電壓電平的電力電子設備也是電動汽車許多方面的關鍵。芯片制造商GaN Systems的首席執行官Jim Witham表示，它們更小、更輕、更高效并且散發的熱量更少，因此電動汽車充電后可以行駛更遠。他補充說，這些產品也非常擅長從太陽能電池板等可再生能源中榨取更多的電力。在多次發生時，即使是很小的電力轉換效率也會增加，例如在包括電池存儲的可再生能源電網中。

GaN可能是一種奇跡材料，但它面臨著來自久經考驗的真正硅和越來越多的新材料的競爭，這些新材料顯示出徹底改變我們的電子產品的潛力。盡管如此，它的用途仍在擴大。GaN Systems也有客戶在數據中心測試其芯片，在那里降低功耗和廢熱可以轉化為大量的電費節省。然而其數據中心客戶均未公開承認使用該技術。

在開始的時候，GaN還只是實驗室的一種產物。然后五角大樓對其產生了興趣，因為他們需要尋找新型電子設備來驅動下一代雷達和無線通信。劍橋大學材料科學教授兼氮化鎵中心主任雷切爾奧利弗說，從2000年左右開始，國防部高級研究機構Darpa的資助推動了克服氮化鎵商業化的許多障礙所需的實驗。

除了在民用領域的無數應用之外，GaN現在還出現在軍 用硬件中，用于從無線電干擾到導 彈防御的所有領域，這一切都得益于其獨特的特性。

與硅相比，GaN可以處理相對大量的電流。Oliver博士說，它具有不同尋常的特性，既擅長移動電子，又擅長不讓它們去你不希望它們去的地方，這使得它既有用又相對安全。

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

隨著我們的整個世界變得越來越電氣化，從我們的能源到使用它的設備，任何能更有效地執行將電力從一種形式轉換為另一種形式的關鍵但容易忽視的功能的東西都有可能成為兩者無處不在，是巨大的收入來源。這就是為什么這個領域有數十家初創公司和成熟公司的原因，包括Navitas Semiconductor、GaN Systems、Power Integrations、德州儀器、英飛凌和意法半導體。

然而，GaN電力電子市場仍處于起步階段。Gartner研究副總裁George Brocklehurst表示，2019年，所有晶體管的整個市場約為160億美元，而Navitas、GaN Systems和其他公司提供的晶體管市場為4500萬美元。

還有其他潛在的革命性材料開始與硅競爭，例如石墨烯，但GaN微芯片具有相當大的優勢，它們可以在制造傳統微芯片的同類制造設施（稱為晶圓廠）中生產，Navitas的市場營銷負責人斯蒂芬奧利弗說。

因為它們不需要最先進的芯片制造技術，所以GaN芯片可以在舊的、折舊完的晶圓廠生產，否則這些晶圓廠可能會閑置。Oliver先生說，一個幸運的副作用是GaN芯片供應沒有趕上更廣泛的全球半導體短缺。Navitas的芯片目前在仍由臺灣芯片制造巨頭臺積電運營的最古老的晶圓廠制造。

GaN的采用率現在變得如此普遍，以至于價格正在迅速下降。這就是為什么您現在可以以20到70美元的價格購買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推向其他領域。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，該車采用完全基于GaN的電力電子設備，從汽車的車載充電器到LED燈。

但是，GaN芯片不是灌籃高手。材料科學的進步產生了少數競爭對手。Gartner的Brocklehurst先生說，傳統的硅功率電子器件在大多數應用中仍然占主導地位，而在汽車領域，碳化硅是一種與GaN具有許多相同特性的替代品，有著更長的記錄。

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

材料革命尚未發生的地方是最大的半導體市場：為我們的計算機供電的處理器。直到最近，Oliver博士說，GaN只能做傳統硅晶體管能做的一半的事情。

到目前為止，GaN無法處理運行由傳統硅邏輯芯片執行的計算所需的電流。但最近的研究結果表明，這種情況可能正在發生變化。

“如果幾年前你問我是否會在邏輯上看到GaN，我會說：‘哦，別傻了，’”她說。“但現在這是可能的，它可能會讓更快的設備成為可能。”

審核編輯 ：李倩