先探/台积电下一个战场 GaN-黄金眼镜蛇

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先探/台积电下一个战场 GaN

GaN在车电商机可期 请继续往下阅读... 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。

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。

(图/先探投资周刊 提供)

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。

先探/台积电下一个战场 GaN

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。

Transphorm、英飞凌具备GaN专利

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日前由日本名古屋大学、大坂大学,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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(图/先探投资周刊 提供)

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