先探／台积电下一个战场 GaN

因应5G、电动车时代来临，对于高频、高压功率元件需求大增，带动氮化镓（GaN）、碳化矽（SiC）等宽能隙半导体材料兴起，日前全球晶圆代工龙头台积电宣布与意法半导体合作开发GaN，瞄准未来电动车之应用。目前国际大厂包括英飞凌、Navitas、GaN Systems、Transphorm等均积极部署GaN，国内除了台积电之外，世界先进、嘉晶、汉磊、茂矽等也投入发展，相关商机备受期待。

文／冯欣仁

在晶圆代工领域称霸全球的台积电，罕见地在二月二十日发布新闻稿，宣布与国际功率半导体ＩＤＭ大厂意法半导体携手合作开发氮化镓（Gallium Nitride；简称GaN）制程技术。这项举动也象征着台积电未来的发展，不在仅止于智慧型手机、ＡＩ、高速运算等领域，未来将借由GaN技术加速布局车用电子与电动车应用；期待和意法半导体合作把GaN功率电子的应用带进工业与汽车功率转换。根据IHS Markit市场研究报告预测，GaN功率元件的市场增长快速，每年ＣＡＧＲ超过三○％ ，预计到二○二六年市场规模将超过十亿美元。除５Ｇ通讯市场外，汽车和工业市场也是GaN功率元件的主要驱动力。

GaN在车电商机可期

长期以来，半导体材料都是由矽（Si）作为基材，不过，矽基半导体受限于矽的物理性质，且面对电路微型化的趋势，不论是在制程或功能的匹配性上已届临极限，愈来愈难符合晶片尺寸缩减、电路功能复杂、散热效率高等多元的性能要求；加上未来更多高频率、高功率等相关电子应用，以及需要更省电、更低运行成本、并能整合更多功能性的半导体元件。因此，近年来所谓的宽能隙半导体材料（WBG）─氮化镓（GaN）、碳化矽（SiC）等新一代半导体材料应运而生。

GaN、SiC因导通电阻远小于矽基材料，导通损失、切换损失降低，可带来更高的能源转换效率。挟着高频、高压等优势，加上导电性、散热性佳，元件体积也较小，适合功率半导体应用。相较于矽基元件，GaN元件切换速度增快达十倍，同时可以在更高的最高温度下运作，这些强大的材料本质特性让GaN广泛适用于具备一○○Ｖ与六五○Ｖ两种电压范畴持续成长的汽车、工业、电信、以及特定消费性电子应用产品。其实GaN最早是应用在ＬＥＤ领域，一九九三年时，日本日亚化学的中村修二成功以氮化镓和氮化铟镓（InGaN），开发出具高亮度的蓝光ＬＥＤ。

除了ＬＥＤ之外，GaN的射频零组件具有高频、高功率、较宽频宽、低功耗、小尺寸的特点，能有效在５Ｇ世代中节省ＰＣＢ的空间，特别是手机内部空间上，且能达到良好的功耗控制。目前在GaN射频领域主要由美、日两国企业主导，其中，以美商Cree居首，住友电工、东芝、富士通等日商紧追在后，中国厂如三安光电、海特高新、华进创威在此领域虽有着墨，但与国际大厂相比技术差距大。不过，GaN未来具有潜力的市场则是在车用电子与电动车领域，在汽车当中有三大应用是与电源相关的，即充电器、DC-DC转换器和牵引逆变器。在这三大用途中，牵引逆变器是目前为止可以从GaN技术中受益最多的。因为使用GaN元件后，可以减轻汽车的重量，提高能效，让电动车能够行驶更远距离，同时可以使用更小的电池和冷却系统。Transphorm、英飞凌具备GaN专利

日前由日本名古屋大学、大阪大学，还有Panasonic等学校与企业所共同合作，利用GaN开发出电动车，可大幅减少电动设备的能源损失，消耗电力约可减少二成左右，得以提高电动车之续航力。此外，车用电子采用GaN元件，从而实现更高的效率、更快速的开关速度、更小型化及更低的成本。随着汽车系统逐渐从十二Ｖ配电转为四八Ｖ系统，这改变是由于越来越多电子功能需要更大的功率，以及在全自动驾驶车辆推出后，搭载更多系统，例如：雷射雷达（LiDAR）、毫米波雷达、照相机及超声波感测器，对配电系统要求更大的功率；若能采用GaN即可满足高效率的配电系统需求。至于在雷射雷达部分，与矽MOSFET元件相比，GaN技术能够更快速地触发雷射信号，可使自动驾驶汽车可以看得更远、更快速、更清晰。（全文未完）

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