為實現電動車(EV)內部高電壓電力系統的高效率化與小型化，且促進EV的順暢運用並提升充電基礎設施的發展，GaN on GaN技術的社會實用化正逐步推進中。
做為功率半導體材料的氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)相比在物理特性上有許多優勢。目前市場日漸擴大的SiC功率半導體適用於耐壓1,000V以上的設備，然而透過改用GaN功率半導體，將可望進一步降低損耗。在EV相關應用上，將包含逆變器、車載充電器(On-board Charger; OBC)以及用於快速充電器的轉換器等用途。目前達到實用化的GaN功率半導體主要是於矽基板上形成GaN薄膜的GaN on Si技術，並僅限於中等耐壓(約650V)的橫向型GaN HEMT。
近年來開始普及的超小型電腦之AC變壓器與智慧型手機充電器，即是橫向型GaN HEMT的實際應用。若欲實現EV應用所需的1,000V以上耐壓程度，則必須如同已實用化的SiC功率半導體般量產垂直型GaN元件，並須確立高品質、大直徑的GaN基板製造技術。而如今，已逐步奠定將GaN功率半導體應用於耐高壓用途之基礎。
GaN實用化發展藍圖
目前Panasonic Holdings與豐田合成、名古屋大學、大阪大學、DENSO等合作，致力於推動以相較於既有氫化物氣相磊晶法(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE)，基板電阻可降低一個數量級以上之的氧化物氣相成長法(Oxide Vapor Phase Epitaxy; OVPE)製作GaN基板，期進一步地實現垂直型GaN元件的實用化。
Panasonic從低電阻、高品質的GaN基板製作開始，到發揮基板潛力的垂直型GaN元件，並與名古屋大學攜手，針對電動車逆變器電路與模組等進行一系列開發，期藉此逐步建立基板、功率半導體、應用電路與模組的商業模式與量產體系。此項研究為日本環境省自2022年推動之「加速創新型低碳材料與零件之社會實用化與普及事業」計畫的一部分，旨在透過新型半導體元件的創新與應用，達成減少CO2排放之目標，亦符合近年來世界各國政府所提倡，將經濟成長與脫碳結合之「綠色轉型(Green Transformation; GX)」策略(圖一)。
圖一、Panasonic等投入的GaN on GaN實用化技術概要
基板與元件製造技術授權
目前市售的GaN on Si技術主要於大直徑的Si基板上製作，而GaN則僅限於小直徑基板，不過日本國內基板廠商已開始推動4吋GaN基板的商業化生產。Panasonic計畫建立可實現高性能化垂直型GaN元件的基板量產體系，欲透過銷售採用OVPE法的GaN基板製造設備，並授權相關製造技術，以推動此一領域的發展。目前，Panasonic已與基板製造商合作，計畫採用OVPE法進行超低電阻之GaN基板的量產。
此外，Panasonic正在開發採用了超低電阻GaN基板，為常閉狀態(Normally-off)設計、低導通電阻(Low On-resistance)之p-GaN閘極結構垂直型元件。目前也已實現了1,200V耐壓或額定電流60A的試作品。未來，Panasonic也計劃將這些功率半導體的製造技術授權給半導體廠商。
在採用超低電阻GaN基板的垂直型元件方面，不僅在技術上具有高難度，在商業模式構築上亦充滿挑戰，因此Panasonic表示：「無論規模大小，希望可以先技術授權給能夠靈活應對的半導體製造商，以做為實用化的起點。」
除此之外，應用此GaN功率半導體之電路、模組的領域正不斷擴大，先前在日本環境省的計畫中，即利用開發的超低電阻GaN基板製造的GaN垂直型元件、由名古屋大學研究團隊推動電動車牽引逆變器(Traction Inverter)的開發。而名古屋大學也正與Panasonic Automotive Systems聯手開發一種針對GaN功率半導體應用設計的車載充電器(OBC)。
除了上述研究之外，自2024年4月開始，DENSO也參與了日本環境省的計劃，對於電動車普及所需的快速充電器轉換器及相關模組也已著手進行開發。