宽能隙半导体的发展近况

GaN(氮化镓)与SiC（碳化矽）这两种宽能隙（wide band gap）半导体在大陆被称之为第三代半导体，这是相对于第一代Si、第二代化合物半导体如GaAs(砷化镓)而言的，它们的共同特性是带隙比传统半导体材料矽要宽的多。

电子线路的核心价值在可操控，在以电子为信息载子的技术范畴中操控的是导电与否，这能力是由材料的传导性质所决定。半导体之所以珍贵是因为它在施加电压时导电、不施加电压时绝缘，为此半导体的发现得了一个物理诺贝尔奖。这主要的机制是靠材料的能带结构。一般固态物质有共价带与导电带，二者重合的就是导体，二者远远分离的是绝缘体；而二者有点近、又不很近的－可由外加电场操控导电与否－就是半导体，矽的带隙宽约是1.17 eV。

然而除了导电与否外，电子元件还有许多表现会依赖于材料的特性，譬如耐高电压、耐高电流、散热效率、操作频率等，这些性质部份也依赖于带隙宽。带隙越宽的材料越能耐高电压、高电流。在新能源的应用，耐高压、耐高电流、高能源转换效率变成主要诉求，宽能隙材料因此成为宠儿。SiC的带隙宽为3.26 eV，GaN的为3.5eV，而又各有特色，因此成为功率或射频元件的新材料。

GaN除了宽能隙外，电子流动性(electron mobility)也高，因而所制成的晶体管也能高频率的操作，在射频的应用也有用武之地。

目前GaN在半导体产业的应用除了已经成熟的LED外，主要有两个方向：微波射频与电力电子。以其衬底(substrate)分类，电力电子多是GaN-on-Si，而微波射频多是GaN-on-SiC。

电力电子的技术发展趋势是优化大尺寸磊晶技术，其主要应用是快充，因为GaN元件有高频率、小体积的优势。但是对于稍高能量密度的应用，GaN-on-Si目前出现可靠性的顾虑。当曝露在高能量密度的应用环境下，异质结构界面会产生自退火（self-annealing）的现象，因此引发可靠性的问题。这个问题有待解决，目前只能将其应用限于较低功率市场。

微波射频是将兴的5G应用大热门，目前的GaN元件是600V高电子流动率晶体管（High Electron Mobility Transistor；HEMT），已于2014年后成GaN元件主流产品。它的功耗佳，带宽高，在4GHz以上可以输出比传统GaAs高的频率。尤其5G中的massive MIMO（Multiple-In Multiple-Out）规格需要数量大的阵列天线，使用元件需要小尺寸、高效率、高功率密度的特性，而这正是GaN可以提供的。

至于制程方面，Ga与SiC之间长有一Al成核层(nucleation layer)，这样多层的异质结构界面照例是个问题。但这在Ga-on-SiC上已有比较好的解决方案。前几天媒体报导瑞典SweGaN AB公司的陈志泰以及他所属团队以MOCVD的方法磊晶，让缺陷密度降低2~3个阶秩，从而让整个夹层厚度降低为1/20。这个制程可以让GaN的特性充份发挥，达到近乎理论预期的结果。这个制程也许也可以用来改善GaN-on-Si的界面问题，虽然材料和问题很不一样。

SiC目前的晶圆尺寸为6寸、GaN为2、3寸，也有4寸的。SiC预计在2、3年后向8寸迈进。是这些超越摩尔定律（more than Moore）的经济增值新方向让机器原厂厂商翻新机（refurbished equipment）的生意做不完！