在晶圓代工領域稱霸全球的臺積電，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)制程技術。這項舉動也象征著臺積電未來的發展，不在僅止于智能手機、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30％ ，預計到2026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，半導體材料都是由硅(Si)作為基材，不過，硅基半導體受限于硅的物理性質，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、并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)、碳化硅(SiC)等新一代半導體材料應運而生。GaN、SiC因導通電阻遠小于硅基材料，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特性讓GaN廣泛適用于具備100Ｖ與650Ｖ兩種電壓范疇持續成長的汽車、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后，中國大陸廠如三安光電、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。
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，車用電子采用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12Ｖ配電轉為四48Ｖ系統，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，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；若能采用GaN即可滿足高效率的配電系統需求。至于在雷射雷達部分，與硅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。在GaN功率領域中，市場主要由Infineon、EPC、GaN Systems、Transphorm，Navitas和英諾賽科（IDM）等公司主導，其產品是由臺積電、漢磊投控、X-FAB進行代工。至于中國代工廠中，三安光電和海特高新具有量產GaN功率零組件的能力。其中，Transphorm是目前擁有全球最多的專利權(ＩＰ)組合(一千多項已授權和申請中的專利)，生產業界唯一獲得JEDEC和AEC-Q101認證的GaN FET。Transphorm設計和制造用于高壓電源轉換應用的具備最高效能和最高可靠性的650Ｖ和900ＶGaN半導體，Transphorm最新的開關模式電源已被大型CS-25飛機制造商所采用，例如：被用于空中巴士A318-A321、A330、A340、A380和波音B767、B787 VIP飛機。這些電源使用Transphorm的GaN FET，其整體系統效率比競爭性的硅基電源設備(ＰＳＵ)高出10％。全球功率半導體龍頭英飛凌，為目前市場上唯一專注于高壓功率器件，涵蓋硅、碳化硅和氮化鎵材料的全方位供應商。英飛凌早在2014年以30億美元收購美國國際整流(ＩＲ)公司，透過此次并購，英飛凌取得了ＩＲ的Si基板GaN功率半導體制造技術。2015年三月，英飛凌和Panasonic達成協議，聯合開發采用Panasonic的常閉式Si基板GaN電晶體，與英飛凌的表貼(ＳＭＤ)封裝的GaN器件，推出高能效600V GaN功率元件。一九年英飛凌發表出CoolGaN e-mode HEMT支援高頻運行的應用，包括企業與資料中心伺服器、電信整流器、適配器、充電器和無線充電設施等。此外，CoolGaN擁有高度的耐用性以100ppm(百萬分之一)的失效率來看，預估零件使用壽命約為55年，超越預期壽命10年，是市面上最可靠且通過全球認證的GaN解決方案之一。此外，中國海特高新為100家客戶提供產品和技術服務，其中砷化鎵已經實現訂單37項，氮化鎵已經引入六家客戶；其中，部分產品批量出貨和代工展開量產；５Ｇ基站產品通過性能驗證，目前處于可靠性驗證階段；氮化鎵功率元器件已經小規模量產。日前海特高新股價也從二月初十人民幣，一路飆漲，顯示出市場對GaN的高度期待。
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