先探／臺積電下一個戰場 GaN

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，日前全球晶圓代工龍頭臺積電宣佈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，國內除了臺積電之外，世界先進、嘉晶、漢磊、茂矽等也投入發展，相關商機備受期待。

文／馮欣仁

在晶圓代工領域稱霸全球的臺積電，罕見地在二月二十日發佈新聞稿，宣佈與國際功率半導體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。這項舉動也象徵着臺積電未來的發展，不在僅止於智慧型手機、ＡＩ、高速運算等領域，未來將藉由GaN技術加速佈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。根據IHS Markit市場研究報告預測，GaN功率元件的市場增長快速，每年ＣＡＧＲ超過三○％ ，預計到二○二六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）作爲基材，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。挾着高頻、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，一九九三年時，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，中國廠如三安光電、海特高新、華進創威在此領域雖有着墨，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，牽引逆變器是目前爲止可以從GaN技術中受益最多的。因爲使用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

日前由日本名古屋大學、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。隨着汽車系統逐漸從十二Ｖ配電轉爲四八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、照相機及超聲波感測器，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。（全文未完）

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