与非网 3 月 6 日讯,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)、碳化硅(SiC)等宽能隙半导体材料兴起,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,除了台积电之外,世界先进、嘉晶、汉磊、茂硅等也投入发展,相关商机备受期待。

 

在晶圆代工领域称霸全球的台积电,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,不在仅止于智能型手机、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。

 

图源:Reuters

 

根据市场研究报告预测,GaN 功率元件的市场增长快速,每年 CAGR 超过 30% ,预计到 2026 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,半导体材料都是由硅(Si)作为基材,不过,硅基半导体受限于硅的物理性质,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,愈来愈难符合芯片尺寸缩减、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)、碳化硅(SiC)等新一代半导体材料应运而生。

 

GaN、SiC 因导通电阻远小于硅基材料,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。相较于硅基元件,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,1993 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、较宽带宽、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,陆系厂商如三安光电、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

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、照相机及超声波传感器,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,与硅 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。