GaN是臺積電的下一個戰(zhàn)場 在車電商機未來可期

3 月 6 日訊，因應(yīng) 5G、電動車時代來臨，對于高頻、高壓功率元件需求大增，帶動氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等寬能隙半導(dǎo)體材料興起，全球晶圓代工龍頭臺積電宣布與意法半導(dǎo)體合作開發(fā) GaN，瞄準未來電動車之應(yīng)用。

目前國際大廠包括英飛凌、Navitas、GaN Systems、Transphorm 等均積極部署 GaN，除了臺積電之外，世界先進、嘉晶、漢磊、茂硅等也投入發(fā)展，相關(guān)商機備受期待。

在晶圓代工領(lǐng)域稱霸全球的臺積電，宣布與國際功率半導(dǎo)體 IDM 大廠意法半導(dǎo)體攜手合作開發(fā)氮化鎵（Gallium Nitride；簡稱 GaN）制程技術(shù)。這項舉動也象征著臺積電未來的發(fā)展，不在僅止于智能型手機、AI、高速運算等領(lǐng)域，未來將借由 GaN 技術(shù)加速布局車用電子與電動車應(yīng)用；期待和意法半導(dǎo)體合作把 GaN 功率電子的應(yīng)用帶進工業(yè)與汽車功率轉(zhuǎn)換。

根據(jù)市場研究報告預(yù)測，GaN 功率元件的市場增長快速，每年 CAGR 超過 30％ ，預(yù)計到 2026 年市場規(guī)模將超過十億美元。除 5G 通訊市場外，汽車和工業(yè)市場也是 GaN 功率元件的主要驅(qū)動力。

GaN 在車電商機可期

長期以來，半導(dǎo)體材料都是由硅（Si）作為基材，不過，硅基半導(dǎo)體受限于硅的物理性質(zhì)，且面對電路微型化的趨勢，不論是在制程或功能的匹配性上已屆臨極限，愈來愈難符合芯片尺寸縮減、電路功能復(fù)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(guān)電子應(yīng)用，以及需要更省電、更低運行成本、并能整合更多功能性的半導(dǎo)體元件。因此，近年來所謂的寬能隙半導(dǎo)體材料（WBG）─氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等新一代半導(dǎo)體材料應(yīng)運而生。

GaN、SiC 因?qū)娮柽h小于硅基材料，導(dǎo)通損失、切換損失降低，可帶來更高的能源轉(zhuǎn)換效率。挾著高頻、高壓等優(yōu)勢，加上導(dǎo)電性、散熱性佳，元件體積也較小，適合功率半導(dǎo)體應(yīng)用。相較于硅基元件，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(zhì)特性讓 GaN 廣泛適用于具備一○○Ｖ與六五○Ｖ兩種電壓范疇持續(xù)成長的汽車、工業(yè)、電信、以及特定消費性電子應(yīng)用產(chǎn)品。其實 GaN 最早是應(yīng)用在ＬＥＤ領(lǐng)域，1993 年時，日本日亞化學(xué)的中村修二成功以氮化鎵和氮化銦鎵（InGaN），開發(fā)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、較寬帶寬、低功耗、小尺寸的特點，能有效在 5G 世代中節(jié)省 PCB 的空間，特別是手機內(nèi)部空間上，且能達到良好的功耗控制。

目前在 GaN 射頻領(lǐng)域主要由美、日兩國企業(yè)主導(dǎo)，其中，以美商 Cree 居首，住友電工、東芝、富士通等日商緊追在后，陸系廠商如三安光電、海特高新、華進創(chuàng)威在此領(lǐng)域雖有著墨，但與國際大廠相比技術(shù)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(lǐng)域，在汽車當(dāng)中有三大應(yīng)用是與電源相關(guān)的，即充電器、DC-DC 轉(zhuǎn)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(shù)中受益最多的。因為使用 GaN 元件后，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(tǒng)。

Transphorm、英飛凌具備 GaN 專利

由日本名古屋大學(xué)、大阪大學(xué)，還有 Panasonic 等學(xué)校與企業(yè)所共同合作，利用 GaN 開發(fā)出電動車，可大幅減少電動設(shè)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(xù)航力。

此外，車用電子采用 GaN 元件，從而實現(xiàn)更高的效率、更快速的開關(guān)速度、更小型化及更低的成本。隨著汽車系統(tǒng)逐漸從十二Ｖ配電轉(zhuǎn)為四八Ｖ系統(tǒng)，這改變是由于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后，搭載更多系統(tǒng)，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(tǒng)要求更大的功率；若能采用 GaN 即可滿足高效率的配電系統(tǒng)需求。至于在雷射雷達部分，與硅 MOSFET 元件相比，GaN 技術(shù)能夠更快速地觸發(fā)雷射信號，可使自動駕駛汽車可以看得更遠、更快速、更清晰。