GaN元件相較於傳統矽元件，具備優異的開關性能、高頻特性及低導通電阻，應用於消費性電子及工業設備中持續增長。但因製造成本高、應用可靠性及可行性挑戰等原因而尚未全面普及。隨著技術進步，GaN元件的成本預計將降低，並與矽元件持平，促進其普及，並預計將在更多領域獲得應用。
目前，GaN裝置在各領域的需求正急劇增長。企業間透過積極的合作，探索GaN裝置的普及與創新發展。下文將聚焦於GaN元件的應用潛力與未來前景，展開全面解讀。
GaN元件現狀
以氮化鎵(Gallium Nitride, GaN)為材料的GaN元件，與傳統矽元件相比，具備優異的開關性能、高頻特性，以及低於矽元件的導通電阻，在智慧型手機充電器、電腦AC適配器等消費性電子設備， 資料中心AI伺服器電源等工業設備的應正持續增長。隨著電動車及再生能源系統需求提供，GaN元件市場潛力更是顯著。同時，業界開發與協作愈發活躍， 例如ROHM正與村田製作所集團旗下的Murata Power Solutions提供AI伺服器電源單元用GaN HEMT，並與馬自達進行GaN功率半導體汽車零件聯合研發。
GaN元件優勢解析
GaN裝置之所以備受關注，源自於其相較傳統矽裝置具備諸多優勢，主要可歸納為以下四大特色：
屬於第三代半導體寬能隙(Wide Band Gap, WBG)元件。與矽相比，寬度更寬且最大電場強度更高，可縮小層結構以實現與矽元件同等的耐壓能力，大幅減小元件尺寸與重量、改善熱特性，實現更高耐壓性，並支援高溫環境下穩定工作。
採用高電子遷移率電晶體(High Electron Mobility Transistor, HEMT)結構，其電子遷移速度較矽元件提升30%以上，具備低閘極輸入電荷(低Qg)和低輸出電容(Co)特性，可實現高速開關。不僅能提升裝置的反應速度，還能透過降低開關損耗來提高電力效率，同時減少熱量產生。
GaN元件的閘極寄生電容和汲極寄生電容較小，可支援高頻工作。高開關頻率下，週邊被動元件尺寸可相應減小，有助於開發小型、高功率密度設計。如在逆變器與LLC諧振電路中，輸出濾波器的尺寸與重量皆可減少至原本的1/10。此外，較小的寄生電容還能降低開關損耗，進而抑制設備的誤動作現象。
GaN元件的漏源極間無寄生PN接面結構，可達到反向恢復損耗為零的效果(Qrr=0)。適用於需要高頻電波子實現高速大容量通訊的通訊基地台、雷達系統，以及資料中心電源裝置。
此外，由於氮化鎵元件能將電力損耗控制在最小範圍並實現高效率電力轉換，其在電動車逆變器等領域亦可望延長車輛的續航里程。
更進一步，GaN元件在高溫環境下也能穩定工作，為發電設備、輸電設備、醫療儀器(如醫療分析裝置)等，支撐工業及社會基礎設施，且需要高功率的設備提供了高可靠性。同時，其在高溫環境下的穩定運作也有助於冷卻系統的小型化，減輕散熱設計等。
AI伺服器採用GaN元件
AI伺服器電源單元逐步採用氮化鎵高電子遷移率電晶體(GaN HEMT)的首要原因，在於其支援高速開關。AI伺服器是為人工智慧與機器學習處理最佳化的伺服器，相較於通用伺服器，AI伺服器需處理大量資料並高速執行深度學習模型的訓練與推理任務，需搭載高效能GPU、大容量記憶體及高效能軟體，也導致其耗電量大，散熱與冷卻設計尤為重要。
透過採用支援高速開關的GaN HEMT，可將電力損耗控制在最小範圍。電力轉換效率的提升不僅能實現節能效果，還有助於降低營運成本並減輕環境負荷。由於GaN元件具備高電流密度特性，與相同性能的傳統矽元件相比，其尺寸可縮小約30~50%(圖1)。
圖1 Si MOSFET與GaN HEMT在AI伺服器電源的耗損比較，GaN HEMT損耗較低
裝置尺寸的縮小使得電源單元和充電器等設備更容易預留安裝空間，散熱設計也更為簡單。由於GaN裝置在高溫環境下仍能穩定運作，可減輕冷卻系統負擔，促進系統小型化並提升可靠性。其高耐久性及高頻應用適配性，使GaN HEMT適用於通訊設備及資料中心等需要高效能電源的基礎設施應用(圖2)。
圖2 GaN元件低導通電阻可縮小元件尺寸，帶動系統整體小型化
GaN元件普及前景
如此出色的GaN元件為何尚未實現爆發式普及？原因可歸結為三點：製造成本、應用可靠性，以及應用情境的可行性挑戰。
製造成本
相較於碳化矽(SiC)和矽(Si)元件， GaN元件的製造成本一直被認為較高。但與SiC不同，GaN可在矽基板上透過晶體生長形成，且隨著普及可望降低成本，預計不久的將來其成本將與矽元件持平(圖3)。
圖3 GaN HEMT結構示意圖
應用可行性
設計電路能否實際運作並發揮預期效能，對工程師和開發者而言是需綜合考量諸多因素的複雜過程。ROHM開發了控制器及閘極驅動器等GaN專用元件，並提供TOLL(無引線封裝)等單一封裝方案，以便發揮GaN性能並減輕設計負擔(圖4)。
圖4 GaN HEMT在電源單元中的簡易部署示意圖
可行性
由於GaN技術仍屬新興領域，難免有可靠性顧慮。憑藉在半導體製造方面長期累積的高可靠性製造經驗和相關業績，ROHM推出EcoGaN系列產品，用於支援應用產品的節能與小型化設計。
此系列產品具備品質因數(FOM： RonCiss、RonCoss)，低導通電阻與高速開關性能有助於節能及小型化設計， 並支援高頻工作應用。此外，ROHM GaN元件的高通用性也是其一大特點。即便週邊元件來自其他廠商，GaN元件仍可整合至系統；其他廠商的GaN元件亦可與ROHM週邊元件相容。
三大瓶頸被突破後，GaN元件的需求預計將加速成長。事實上，GaN時代的到來並非誇張之詞。
GaN元件應用範圍與限制
GaN裝置與SiC和矽相比具備諸多優勢。其電子遷移率高於SiC，能夠實現高速開關；能隙寬度大於矽，可在高溫環境下穩定工作，尤其有助於提升電源系統效能。但另一方面，業界認為其不適用於馬達驅動等對短路電流熱容量要求較高的應用場景，且在大電流處理能力方面不如SiC和矽元件(圖5)。
圖5 Si SJ MOSFET、SiC MOSFET與GaN HEMT的耗損及應用比較
為充分發揮GaN元件的高速開關性能，需搭配超高速驅動閘極驅動器IC及支援高速脈衝控制的控制器IC。ROHM 針對此需求，開發了將GaN HEMT與閘極驅動器IC整合於同一封裝的Power Stage IC。使用此Power Stage IC可省去繁瑣的驅動調試，實現對矽MOSFET的直接替換。
GaN元件與SiC元件的特性差異常成為業界討論的焦點，兩者因效能特性不同而適用於不同應用場景。目前業界大致將高頻應用歸類為GaN的優勢領域， 大電流應用則傾向採用SiC。但隨著技術進步，預計未來GaN除AI伺服器、充電器等場景外，將在更多能發揮其功能的領域中獲得應用。
GaN裝置在多個領域的應用正加速推進，其技術潛力與發展前景獲得業界廣泛認可。在當下追求高效能電力轉換與設備小型化的技術趨勢中，GaN裝置的普及進程可望進一步加速。
(本文由ROHM提供)