寬能隙半導體的發展近況

GaN(氮化鎵)與SiC（碳化矽）這兩種寬能隙（wide band gap）半導體在大陸被稱之為第三代半導體，這是相對於第一代Si、第二代化合物半導體如GaAs(砷化鎵)而言的，它們的共同特性是帶隙比傳統半導體材料矽要寬的多。

電子線路的核心價值在可操控，在以電子為信息載子的技術範疇中操控的是導電與否，這能力是由材料的傳導性質所決定。半導體之所以珍貴是因為它在施加電壓時導電、不施加電壓時絕緣，為此半導體的發現得了一個物理諾貝爾獎。這主要的機制是靠材料的能帶結構。一般固態物質有共價帶與導電帶，二者重合的就是導體，二者遠遠分離的是絕緣體；而二者有點近、又不很近的－可由外加電場操控導電與否－就是半導體，矽的帶隙寬約是1.17 eV。

然而除了導電與否外，電子元件還有許多表現會依賴於材料的特性，譬如耐高電壓、耐高電流、散熱效率、操作頻率等，這些性質部份也依賴於帶隙寬。帶隙越寬的材料越能耐高電壓、高電流。在新能源的應用，耐高壓、耐高電流、高能源轉換效率變成主要訴求，寬能隙材料因此成為寵兒。SiC的帶隙寬為3.26 eV，GaN的為3.5eV，而又各有特色，因此成為功率或射頻元件的新材料。

GaN除了寬能隙外，電子流動性(electron mobility)也高，因而所製成的電晶體也能高頻率的操作，在射頻的應用也有用武之地。

目前GaN在半導體產業的應用除了已經成熟的LED外，主要有兩個方向：微波射頻與電力電子。以其襯底(substrate)分類，電力電子多是GaN-on-Si，而微波射頻多是GaN-on-SiC。

電力電子的技術發展趨勢是優化大尺寸磊晶技術，其主要應用是快充，因為GaN元件有高頻率、小體積的優勢。但是對於稍高能量密度的應用，GaN-on-Si目前出現可靠性的顧慮。當曝露在高能量密度的應用環境下，異質結構介面會產生自退火（self-annealing）的現象，因此引發可靠性的問題。這個問題有待解決，目前只能將其應用限於較低功率市場。

微波射頻是將興的5G應用大熱門，目前的GaN元件是600V高電子流動率電晶體（High Electron Mobility Transistor；HEMT），已於2014年後成GaN元件主流產品。它的功耗佳，帶寬高，在4GHz以上可以輸出比傳統GaAs高的頻率。尤其5G中的massive MIMO（Multiple-In Multiple-Out）規格需要數量大的陣列天線，使用元件需要小尺寸、高效率、高功率密度的特性，而這正是GaN可以提供的。

至於製程方面，Ga與SiC之間長有一Al成核層(nucleation layer)，這樣多層的異質結構介面照例是個問題。但這在Ga-on-SiC上已有比較好的解決方案。前幾天媒體報導瑞典SweGaN AB公司的陳志泰以及他所屬團隊以MOCVD的方法磊晶，讓缺陷密度降低2~3個階秩，從而讓整個夾層厚度降低為1/20。這個製程可以讓GaN的特性充份發揮，達到近乎理論預期的結果。這個製程也許也可以用來改善GaN-on-Si的界面問題，雖然材料和問題很不一樣。

SiC目前的晶圓尺寸為6吋、GaN為2、3吋，也有4吋的。SiC預計在2、3年後向8吋邁進。是這些超越摩爾定律（more than Moore）的經濟增值新方向讓機器原廠廠商翻新機（refurbished equipment）的生意做不完！