台積電下一個戰場 GaN

先探週刊 2020/02/26 13:54(214天前)
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,國內除了台積電之外,世界先進、嘉晶、漢磊、茂矽等也投入發展,相關商機備受期待。

【文/馮欣仁】

在晶圓代工領域稱霸全球的台積電,罕見地在二月二十日發布新聞稿,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,不在僅止於智慧型手機、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。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,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

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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