近年红火的第三类、“宽能隙”（WBG）半导体，拥有比第一、第二类“低能隙”半导体更耐高温、高压及高频的特性，因而更能满足5G通信、纯电动汽车（BEV）、油电混合车（HEV）、消费性充电头及数据中心等高功率、高电能转换效率、低能耗、高速运算及高速充电等新兴应用的需求。
当前氮化镓（GaN）已普遍用于高功率及高频射频应用，硅基氮化镓（GaN-on-Si）功率组件成为高功率应用市场主流，至于GaN射频组件的主流技术则为兼具导热性、高功率及高频特性的碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC），本文主轴将会聚焦GaN-on-Si功率组件于BEV/HEV车用市场发展现况与前景。
BEV/HEV已视为带动第三类半导体的杀手级应用，但以碳化硅（SiC）为主流的车用市场，GaN要如何拥有一片天？各擅胜场的两大第三类半导体终究会并存还是相互取代？
面对SiC产能与成本优势已被国际集成组件制造商（IDM）与中国厂商把持，台湾半导体产业生态系该全面押宝GaN，还是两者齐头并进？位居全球半导体产业枢纽地位的台湾，要如何延续半导体长久经营的制造优势及研发能量，持续在GaN及SiC两大第三类半导体材料领域发光发热？以下就为这些关键议题与趋势抽丝剥茧、理清脉络。
得三电者得EV天下，得SiC基板者得第三类半导体天下
自从欧盟完成2035年禁售内燃机引擎车辆的协议后，届时以锂电池或氢燃料电池供电的电动汽车时代将全面到来。面对这趋势，主流功率组件商早就展开将硅基组件转换成的SiC组件的超前部署作业。
GaN Systems全球业务发展副总裁庄渊棋接受《科技新报》专访时表示，由于硅基MOSFET和SiC MOSFET的结构性相似，设计采拓扑结构可沿用，所以Tier 1车厂及OEM代工厂自硅基转移到SiC组件毫无障碍、速度极快，市场实际应用案例随处可见。
如今面对电动汽车有所谓“得三电系统者得天下”的说法，显见三电系统的重要，主要由电控、电池及电机（马达）组成，电控系统的主要组件包括车载充电器（On-Board Charger，OBC）、升降压转换器（DC/DC Converter）及牵引逆变器（Traction Inverter）。基本上，当前新能源汽车皆以SiC进行三电系统的设计。
自2018年特斯拉（Tesla）率先在自家Model 3牵引马达功率模块采用意法半导体（STM）的SiC MOSFET组件后，自此揭开电动汽车全面以SiC为主流功率组件的序幕。
虽然当前全球SiC功率组件市场有高达九成市场占有率皆操纵在Wolfspeed（前身为Cree科瑞）、意法半导体、罗姆半导体（ROHM）、英飞凌（Infineon）、安世美（ONSemi）及三菱电机（Mitsubishi）等IDM大厂手中。但随着电动汽车用市场的蓬勃发展，市场总体需求已经超出主流IDM制造模式所能支应的量，而且建厂设备交期及车规认证因素也会衍生缓不济急的可能风险，2021年爆出的车用芯片缺货潮便是市场SiC组件供不应求的最佳写照。
于是取而代之的无芯片厂（Fabless）遂成最快上手的运营模式，掀起新一波全球SiC代工热潮。除了全球最大SiC代工厂X-FAB，但凡台湾汉磊、嘉晶电子、韩国第一家拥有SiC全产业链的Yes Power Technix、英国Class-SiC等莫不积极抢食SiC功率组件代工市场。最具来势汹汹之势的莫过于中国代工厂，包括上海积塔半导体、安徽长飞先进半导体、南京百识电子、南京宽能半导体、广州芯粤能等莫不在产能及成本展现优势火力。
调研公司Yole Développement预测，2027年SiC芯片需求达110万片，SiC功率组件营收将从2021年近11亿美元，至2027年增长超过63亿美元，年复合增长率达34%，高达八成营收来自电动汽车市场。虽然SiC产能提升对GaN-on-SiC射频组件也有帮助，但不在本文讨论范畴。上述预测再再显示目前车用功率组件几乎是SiC功率组件的天下，但车用功率组件供不应求持续发酵，尽管GaN-on-Si功率组件GaN的拓扑结构与传统硅基不同而需较久的验证时间，但仍有很大增长空间。
这点可从调研机构TrendForce的预测略窥一二，研究指出，GaN汽车市场规模将从2021年400万美元，增长至2025年2.2亿美元，市场占有率将趋近17%。再据Yole Développement预测，GaN功率组件营收将从2021年近1.3亿美元，至2027年增长超过20亿美元，年复合增长率高达59%，营收比重最高的是消费性快充头市场（48%），其次是数据通信服务市场（31%），车用市场（16%）第三。
2021~2027年GaN功率组件市场营收。（Source：Yole Développement）
庄渊棋认为，虽然直到2017年，快充头市场一直都是GaN功率组件的大宗主力市场，但今后电动汽车与数据中心将成为带动GaN进一步增长的两大驱动力。Yole Développement的调查数据为此提供最佳印证，预估2021~2017年车用GaN功率组件的年复合增长率将达到惊人的99%，同期数据中心设备电源用GaN功率组件的年复合增长率达69%。总之，今后强劲的电动汽车及数据中心需求会持续带动GaN功率组件商投入及组件产能全面提升。
SiC最大强项莫过热传导率，GaN拥有无人能出其右的开关速度
随着制程技术的突破，以及新厂商陆续加入，车用GaN功率组件将获得更多市场资源、动能及更高市场占有率。不可讳言现在市场版图，甚至可能的发展走向，有极重比例由GaN与SiC的先天特性造就与决定，所以有必要针对两大第三半导体材料优缺点分析比较。
宽能隙半导体的大优势莫过于拥有更薄晶粒（dice），使材料在相同额定电压拥有更低导通电阻（On-state Resistance）及热阻（Thermal Resistance）。换言之，即使升温状态仍能保持低漏电流的优势，进而在既有组件尺寸处理更大功率。
SiC最大强项莫过于热传导率、极低的热膨涨系数与超高压承受能耐。热传导率达到硅基半导体3倍左右（GaN略低于硅基），结合超低热膨涨系数，使组件不会因高温和热循环而损坏。目前处于1,200V电压范畴的功率组件或DC/DC转换器，没有其他材料比得过SiC，至于1,700V超高电压尘用，则完全是SiC的天下。目前常见800V/400V to 12V或48V to 12V DC/DC转换器，刚好也落在GaN适用电压范围，由于SiC在600V以下因成本因素没有优势，自然能成为GaN发挥高效电源转换效率的市场区块。
反观GaN，无人出其右的最大特点就是远胜SiC或Si的开关速度，不仅上升下降时间只有10ns，而且开关延迟超低。但吊诡的是，速度太快反而成为无法广泛应用的致命伤，衍生的负面影响包括闸极阈值电压过高，以及闸极驱动方式过于挑剔，反而让总体导通损耗更高。
今年美国消费性电子展（CES 2023），特斯拉首席执行官马斯克（Elon Musk）传达三项重大消息：特斯拉拿走全球八成SiC、今后OBC采用GaN、全力推动800V电池系统。由此可见，除了SiC组件供不应求持续，GaN入主OBC及800V电池普及都成为不可逆的趋势。
随着车厂纷纷布局800V高压快充系统，OBC尺寸会逐渐缩小且额定输出功率也将从原本主流的3.3kW及6.6kW，朝11kW及22kW高功率密度方向发展，同时OBC的开关频率（Switching Frequency）也将从过去硅基的50KHz、当前SiC的100KHz，拉升至200~500KHz。一旦开关频率超过150KHz，SiC能耗便无法改变善空间。反观拥有比硅基MOSFET低67%极低切换损耗（Switching Loss）的GaN，能以高达1MHz开关频率工作，使越来越多厂商（包括特斯拉）纷纷转去拥抱GaN技术的OBC设计。
至于前文提到GaN的开关速度太快，反而会出现原有拓扑结构设计无法匹配的问题，针对这点，目前可以通过多阶层（Multi-Level）电流转换设计克服，可让GaN在800~1,200V高电压下正常运行。庄渊棋指出，面对几乎达到支配市场的SiC，GaN可以在开关频率、速度及能耗上的性能表现找到突破点。换言之，未来新OBC设计将会以GaN技术为主流。
此外，面对SiC主宰的牵引逆变器市场，GaN也能在专门主打市区行车模式（走走停停，油门不断踩放）车款逆变器找到突破点，因为GaN低开关损耗正好派上用场。
GaN SystemsGaN牵引逆变器。（Source：GaN Systems）
庄渊棋归纳指出，整体而言，GaN功率组件有助OBC提高5倍功率密度，减少3倍能源耗损。DC/DC转换器拜该组件所赐，功率密度可提升1倍，整体效率在不借助额外水冷式散热系统的状况下，也从93%提升到98%。GaN并且可让逆变器的整体材料成本（BOM Cost）降低约8%。
IDM与代工模式并存，大尺寸芯片将由GaN-on-Si捷足先登
对GaN这类新组件，市场普及度会受产能、成本及可靠度影响。GaN和SiC都需要的SiC基板因为生长条件严苛，长晶速度缓慢，需要大量资本投资克服各种技术瓶颈与障碍，成为第三类半导体最主要成本来源。由于SiC基板长期供不应求，为了确保产能及市场供需稳定，原本以IDM模式为主流的第三类半导体产业链，目前呈IDM与代工并存态势。
为了确保供应稳定，不再出现类似之前车用芯片荒的宭境，目前车厂与组件供应商等相关合作伙伴皆采深度合作模式。以GaN Systems为例，该公司以车规认证JEDEC & ACE-Q101为基础，依据GaN的不同物理特性定义故障模式及验证方法，紧密与汽车、工业及HiRel市场客户及合作伙伴合作，发展出AutoQual、可靠度验证方式。2021年并与纬湃科技（Vitesco）、BMW、环旭电子（日月光子公司）创建策略合作关系。
目前GaN Systems率先以自家大电流/大电压产品打入车用市场，其中包括被法国电力电子公司BrightLoop采用的9.6kW EV DC/DC转换器，以及与德国汽车零部件制造商纬湃科技一同打造适用于电动巴士的6kW EV 400V/800V DC/DC转换器。
GaN Systems联手BrightLoop共同开发的9.6kW EV DC/DC转换器。（Source：GaN Systems）
并与电动汽车创业公司Canoo联手开发7.2kW EV OBC，这也让GaN Systems成为当前唯一进入量产阶段的车用GaN功率组件供应商。除此之外，丰田汽车2019年东京车展与名古屋大学共同展示的“全氮化镓汽车”（All Gan Vehicle），便采用GaN Systems的牵引逆变器产品。
丰田2019年东京车展展出“全氮化镓汽车”。（Source：GaN Systems）
自2017年起，6英寸芯片成为主流，虽然目前几乎所有一线大厂纷纷投入8英寸芯片的量产行列，但其克服良率、产能及成本的甜蜜点仍需一段时间才会出现。目前主要应用在射频组件上的GaN-on-SiC虽然性能表现超出GaN-on-Si功率组件，但在可靠度、产能及成本上仍有许多待解难题，由于8英寸SiC基板价格依旧居高不下，所以SiC从6英寸转8英寸完全不符合成本效益。
正因为如此，庄渊棋甚至认为，8英寸SiC是个假议题，因晶粒成本实在太高昂。虽然当前不乏许多像是Wolfspped等拥有自家SiC基板的厂商实现8英寸SiC芯片量产，但仍属市场宣传意义大于实质意义的举动。
至于GaN-on-Si功率组件被视为性价比最高的解决方案，目前从6英寸转移至8英寸已是进行时，甚至不少厂商已开始探讨12英寸的可能性，目前克服的首要重点主要集中在MOCVD机台产能与折旧成本等问题的克服上。总而言之，GaN-on-Si在朝向大尺寸芯片的发展脚步应该会比GaN-on-SiC快。
整体而言，目前主导GaN功率组件市场的大厂包括宜普电源转换公司（EPC）、Transphorm、GaN systems及英飞凌（英飞凌2日宣布收购GaN systems），根据Yole Développement研究数据指出，四家合计吃掉全球GaN功率组件九成市场占有率。至于GaN射频组件，全球约85%市场占有率操纵在住友电工、Cree/Wolfspeed和Qorvo三家厂商之手。
（首图来源：科技新报）