GaN，台積電下一個戰場

與非網 3 月 6 日訊，因應 5G、電動車時代來臨，對於高頻、高壓功率元件需求大增，帶動氮化鎵（GaN）、碳化矽（SiC）等寬能隙半導體材料興起，全球晶圓代工龍頭台積電宣布與意法半導體合作開發 GaN，瞄準未來電動車之應用。

目前國際大廠包括英飛凌、Navitas、GaN Systems、Transphorm 等均積極部署 GaN，除了台積電之外，世界先進、嘉晶、漢磊、茂矽等也投入發展，相關商機備受期待。

在晶圓代工領域稱霸全球的台積電，宣布與國際功率半導體 IDM 大廠意法半導體攜手合作開發氮化鎵（Gallium Nitride；簡稱 GaN）製程技術。

這項舉動也象徵著台積電未來的發展，不在僅止於智能型手機、AI、高速運算等領域，未來將藉由 GaN 技術加速布局車用電子與電動車應用；期待和意法半導體合作把 GaN 功率電子的應用帶進工業與汽車功率轉換。

圖源：Reuters

根據市場研究報告預測，GaN 功率元件的市場增長快速，每年 CAGR 超過 30％ ，預計到 2026 年市場規模將超過十億美元。

除 5G 通訊市場外，汽車和工業市場也是 GaN 功率元件的主要驅動力。

GaN 在車電商機可期

長期以來，半導體材料都是由矽（Si）作為基材，不過，矽基半導體受限於矽的物理性質，且面對電路微型化的趨勢，不論是在製程或功能的匹配性上已屆臨極限，愈來愈難符合晶片尺寸縮減、電路功能複雜、散熱效率高等多元的性能要求。

加上未來更多高頻率、高功率等相關電子應用，以及需要更省電、更低運行成本、並能整合更多功能性的半導體元件。

因此，近年來所謂的寬能隙半導體材料（WBG）─氮化鎵（GaN）、碳化矽（SiC）等新一代半導體材料應運而生。

GaN、SiC 因導通電阻遠小於矽基材料，導通損失、切換損失降低，可帶來更高的能源轉換效率。

挾著高頻、高壓等優勢，加上導電性、散熱性佳，元件體積也較小，適合功率半導體應用。

相較於矽基元件，GaN 元件切換速度增快達十倍，同時可以在更高的最高溫度下運作，這些強大的材料本質特性讓 GaN 廣泛適用於具備一○○Ｖ與六五○Ｖ兩種電壓範疇持續成長的汽車、工業、電信、以及特定消費性電子應用產品。

其實 GaN 最早是應用在ＬＥＤ領域，1993 年時，日本日亞化學的中村修二成功以氮化鎵和氮化銦鎵（InGaN），開發出具高亮度的藍光 LED。

除了 LED 之外，GaN 的射頻零組件具有高頻、高功率、較寬頻寬、低功耗、小尺寸的特點，能有效在 5G 世代中節省 PCB 的空間，特別是手機內部空間上，且能達到良好的功耗控制。

目前在 GaN 射頻領域主要由美、日兩國企業主導，其中，以美商 Cree 居首，住友電工、東芝、富士通等日商緊追在後，陸系廠商如三安光電、海特高新、華進創威在此領域雖有著墨，但與國際大廠相比技術差距大。

不過，GaN 未來具有潛力的市場則是在車用電子與電動車領域，在汽車當中有三大應用是與電源相關的，即充電器、DC-DC 轉換器和牽引逆變器。

在這三大用途中，牽引逆變器是目前為止可以從 GaN 技術中受益最多的。

因為使用 GaN 元件後，可以減輕汽車的重量，提高能效，讓電動車能夠行駛更遠距離，同時可以使用更小的電池和冷卻系統。

Transphorm、英飛凌具備 GaN 專利

由日本名古屋大學、大阪大學，還有 Panasonic 等學校與企業所共同合作，利用 GaN 開發出電動車，可大幅減少電動設備的能源損失，消耗電力約可減少二成左右，得以提高電動車之續航力。

此外，車用電子採用 GaN 元件，從而實現更高的效率、更快速的開關速度、更小型化及更低的成本。

隨著汽車系統逐漸從十二Ｖ配電轉為四八Ｖ系統，這改變是由於越來越多電子功能需要更大的功率，以及在全自動駕駛車輛推出後，搭載更多系統，例如：雷射雷達（LiDAR）、毫米波雷達、照相機及超聲波傳感器，對配電系統要求更大的功率；若能採用 GaN 即可滿足高效率的配電系統需求。

至於在雷射雷達部分，與矽 MOSFET 元件相比，GaN 技術能夠更快速地觸發雷射信號，可使自動駕駛汽車可以看得更遠、更快速、更清晰。