氮化鎵(GaN)是什麼？氮化鎵的應用、特色簡介、高功率快充跟5G都能看到它 (153477)

5G時代來臨，為了應付新一代網路與應用服務的需求，半導體產業將目標轉向發展氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)等第三代半導體材料。2020年初，台積電宣布將與半導體廠商意法合作，加速GaN製程技術的開發，希望能夠發揮GaN的優勢，在消費性電子產品之外也開始發展如汽車電氣化等未來趨勢。到底氮化鎵GaN是什麼，有那些優勢，又和5G有什麼樣的關係呢？本篇將一一解答。

GaN早期應用於LED領域與SiC同屬於第三代半導體材料

目前半導體產業以矽(Si)的發展最為成熟，然而隨著時代變遷，不僅是訊息的傳遞需求大幅增加，還追求更快的速度、更小的尺寸，導致傳統的矽基半導體因為物理性質的限制，逐漸無法符合需求。GaN並非橫空出世，它早在1993年便開始應用於LED產業，目前在LED領域的應用中已相當成熟。GaN的穩定性高，熔點高達1700度，相較於Si，能夠忍耐更高的溫度與電壓。

第一代半導體：如Si，應用於資訊、微電子產業
第二代半導體：如GaAs(砷化鎵)，應用於通訊、照明產業
第三代半導體：如GaN、SiC等

▲目前半導體材料中以傳統的Si產業最為成熟，不過在更高功率、更高頻率範圍的表現仍不如第三代半導體GaN和SiC。其中SiC在更高壓與大功率上具有優勢，因此在車用市場、充電樁、馬達驅動等領域受到看好。(圖片來源：infineon)

高穩定、高頻率、低功耗、小尺寸特性適合5G市場

在穩定性與耐高溫、耐高壓之外，GaN同樣擁有良好的導電性、導熱性，因此在技術容許之後，能夠有效減少尺寸，進而縮小GaN相關產品的大小。另外，相較於矽基元件，GaN擁有更高的電子密度和電子速度，元件的切換速度是矽基元件的10倍以上，這讓GaN格外適合高頻率、高效率的電子產品。

GaN適合電壓40V至1200V的應用產品，尤其是汽車、工業、電信、特定的消費電子產品所需要的100V至600V電壓範圍，GaN正好能夠發揮最大的優勢。正因為如此，當5G追求高速度、低延遲，以及小型基地站時，擁有一定發展基礎的GaN取代了第二代半導體GaAs，成為新的趨勢。

▲GaN的優勢。5G建設追求快速低延遲，以「微波射頻」為主要方向，無論是Sub-6頻段還是mmWave毫米波，都需要大量的微型天線與基地台。GaN元件的小尺寸、高頻率、高功率特性，正符合需求。(圖片來源：Qorvo)

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▲無論是基地台天線還是手機內部，相較於上一代半導體GaAs，GaN元件都更能夠有效節省空間，並且在功耗控制上擁有良好的表現。(圖片來源：Qorvo)

GaN應用領域包括微波射頻、電力電子產品

如上所述，GaN的高頻率、高功率、低功耗的特點，讓它能夠使用在5G的小型基地站。不僅如此，相關產業如衛星通訊、有線電視、雷達等市場，GaN也很有可能取代GaAs，成為更理想的微波頻率放大器。

至於生活相關的部分，包括快速充電用品，以及車用電子產品、電動車領域，GaN都能夠憑藉小尺寸、高功率與耐高溫的特性，減少產品重量並且提高效能，讓產品擁有更高的續航力，以及更快的啟動速度。舉例來說，GaN技術能夠減輕汽車的重量，提升電動車的續航力，而台積電與意法半導體的合作便是希望能夠透過GaN的電路技術，帶動汽車電氣化。