• 台積電下一個戰場, GaN
  •   
      
作者:馮欣仁     文章出處:先探雜誌   2080期      出刊區間:2020/02/27~2020/03/05

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。
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(600703.SH)、海特高新(002023.SZ)、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。

在GaN功率領域中,市場主要由Infineon、EPC、GaN Systems、Transphorm,及Navitas等公司主導,其產品是由台積電、漢磊投控(3707)、X-FAB進行代工。至於中國代工廠中,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設計和製造用於高壓電源轉換應用的具備最高效能和最高可靠性的六五○V和九○○VGaN半導體,Transphorm最新的開關模式電源已被大型CS-25飛機製造商所採用,例如:被用於空中巴士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矽基電源設備(PSU)高出十%。

全球功率半導體龍頭英飛凌,為目前市場上唯一專注於高壓功率器件,涵蓋矽、碳化矽和氮化鎵材料的全方位供應商。英飛凌早在二○一四年以三○億美元收購美國國際整流(IR)公司,透過此次並購,英飛淩取得了IR的Si基板GaN功率半導體製造技術。一五年三月,英飛淩和Panasonic達成協議,聯合開發採用Panasonic的常閉式Si基板GaN電晶體,與英飛淩的表貼(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一○○ppm(百萬分之一)的失效率來看,預估零件使用壽命約為五五年,超越預期壽命四○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,中國海特高新為一○○家客戶提供產品和技術服務,其中砷化鎵已經實現訂單三七項,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,目前處於可靠性驗證階段;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,一路飆漲至二一人民幣,顯示出市場對GaN的高度期待。

270*90
270*90
270*90
270*90
270*90
270*90
270*90
270*90
270*90
270*90
270*90
270*90