文／張翼，何旻穎 (國立陽明交通大學副校長、複合物半導體研究中心資深經理)
氮化鎵半導體元件發展史
近年來隨著快速充電、無人機、電動車、5G行動通信等新興應用的出現，市場上渴望下一代功率元件以及高頻功率放大器能有更低的消耗功率、更大的功率密度、更快的操作頻率和更高的可靠度。因此尋找新的半導體功率元件材料成為各界一致共同努力的方向，在這些新興材料當中，氮化鎵當屬最受到矚目的材料之一。
氮化鎵半導體發展至今，已過約20多年光景。氮化鋁鎵/氮化鎵異質接面(Heterostructure)首次於1991年發表[1-3]，並展現其優越電子遷移率。第一個氮化鎵金半場效電晶體(MESFET)與氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率場效電晶體(AlGaN/GaN HEMT)則同於1993年發表[4][5]。於2004年，氮化鎵HEMT 射頻(RF)電晶體首先由日本Eudyna公司生產，此電晶體係採用碳化矽(SiC)為基板，此後，其他公司也發表各式射頻應用之氮化鎵 HEMT 射頻電晶體於碳化矽基板。2009年，EPC (Efficient Power Conversion Co.) 發表採用矽基板製作之氮化鎵HEMT功率電晶體，意在取代矽製MOSFET功率電晶體，並且採用矽基板以利用標準矽元件製程、設備、與基板，以大幅降低成本[6]。其後若干國際大廠也開始生產氮化鎵射頻元件或功率電子元件。目前， GaN HEMT已經成為半導體元件之主流產品之一。這一連串的發展速度相較於砷化鎵場效電晶體(FET)的發展速度幾乎快了10倍之多，最重要的原因是氮化鎵這類材料所擁有的先天優勢與特性，例如: 高抗熱、高崩潰電壓、高電子飽和速度、優秀的壓電效應以及高電流密度等等，這些特性都讓氮化鎵電晶體在高功率與高速的應用上成為極佳的選擇。
歷經多年發展，射頻應用之氮化鎵電晶體仍以HEMT為主。而氮化鎵功率元件則衍生出不同結構之元件。氮化鎵功率元件可分為橫向型元件與垂直型元件兩大類。橫向型結構之氮化鎵HEMT最能發揮其優異的2維電子氣(2DEG)特性，目前氮化鎵功率元件的研究及多數市售氮化鎵功率元件均以橫向型結構為主。採用橫向結構時，基板不包含於電流路徑，因此對基板的選擇有較大的彈性，不過仍然必須考慮基板特性對異質磊晶層材料優劣的影響。以成本觀點來看，矽基板當然是最有利的選擇，但受到晶格匹配及磊晶成長時熱膨脹係數不匹配等問題的影響，矽基板上所能成長的氮化鎵磊晶層厚度較其他基板薄，間接影響了GaN on Si元件所能實現的崩潰電壓，因此磊晶緩衝層的設計極其重要，且對於元件的性能具有關鍵性影響[7-10]。2008年Panasonic發表利用超接合面概念與多通道結構的9300V、76 mΩ/cm2蕭基二極體，為目前達到最大崩潰電壓的氮化鎵二極體；而2007年Panasonic所發表的9300V、176mΩ/cm2 GaN on Sapphire HEMT，仍是目前崩潰電壓最高之氮化鎵電晶體[11]。除了HEMT結構之外，另一種橫向型氮化鎵電晶體為MOSFET，不過因此種結構不具有優異的2DEG特性，加上離子佈植的控制與活化會構成高電壓橫向型MOSFET的一個瓶頸，因此具有2DEG優勢的HEMT結構明顯優於MOSFET，無論是無線通訊應用或是電力電子應用，目前市售之氮化鎵電晶體也多以橫向型HEMT結構為主。
垂直型結構為理想的功率元件結構，但需要使用價格十分昂貴的氮化鎵晶圓，2010年，日本法政大(Hosei University)與Hitachi Cable共同發表10A 1100V 0.71mΩ-cm2之垂直型蕭基二極體[12]。電晶體方面，大部分的研究多集中在垂直型MOSFET。最早的垂直型氮化鎵電晶體為日本Toyota於2007年所發展的常開型planar gate HFET，之後亦有其他團隊投入，而2014年Toyota Gosei發表了1600V trench gate MOSFET，算是比較明顯的突破[13]。
氮化鎵半導體之應用
氮化鎵半導體最主要的應用在通訊領域及電力電子領域這兩大領域，以下將就這兩大領域分別介紹其主要應用。
相較於矽基半導體與砷化鎵，氮化鎵半導體具有不少優越特性，如高飽和速度(High Saturation Velocity, Vpeak ~ 2.5 x 107 cm/s)、高崩潰電場(~ 3.3 MV/cm)、寬能隙(~ 3.42 eV)、以及氮化鋁鎵/氮化鎵異質結構產生高電子濃度之二維電子氣(2DEG)，使得氮化鎵高速電子遷移電晶體非常適合使用在高頻、高功率、抗輻射及高溫環境之應用，如行動電話基地台的高功率輸出放大器、軍用雷達及商業無線通訊。圖一顯示氮化鎵高頻高功率元件之主要應用領域。
圖1、氮化鎵高頻高功率元件主要應用領域，包括無人飛機與人造衛星用之酬載系統、物聯網以及軍民用之雷達系統。 [14]
資料來源：國立陽明交通大學複合物半導體研究中心
現今常被應用於高頻元件之半導體材料為砷化鎵(GaAs)與磷化銦(InP)，雖然具備高電子速度及電子遷移率之特性，但其熱及化學穩定性不佳且能隙較窄、導熱率低，做為高功率應用之電晶體有其先天限制。相較之下，氮化鎵是一種很穩定的化合物半導體材料，其熱及化學穩定性非常適合用來製造高溫元件，同時氮化鎵具有高崩潰電場、寬能隙、高飽和速度之特性，有利於應用於高功率微波元件上，因此氮化鎵電子元件在衛星通訊以及手機基地台通訊上，展現出了比現在慣用之砷化鎵(GaAs)電子元件更高的效率，亦可滿足發展中對頻帶有更高需求5G行動通信應用，可於遠距離之間做更快速及更高可靠度的傳輸。近年來，氮化鎵高速電子遷移電晶體(HEMT)功率放大器之功率密度已可達10 W/mm 於10 GHz之操作頻率 [15] 及5.85 W/mm 於40 GHz之操作頻率[16]，此極佳的電晶體特性說明了GaN HEMT深具發展新世代高頻功率元件之潛力[17]。圖二之趨勢圖說明了氮化鎵HEMT相較於其他元件於高頻高功率放大器應用之優勢[17]。依據市調機構Yole的預測，未來5年氮化鎵射頻元件之複合年成長率為12%，最主要的應用是國防與軍事方面的應用，其次則是電信基礎設施應用，再其次是衛星通訊應用。
圖2 氮化鎵HEMT相較於其他元件於高頻高功率放大器應用之優勢[17]。
資料來源：國立陽明交通大學複合物半導體研究中心
尤其5G基地台高頻部分因頻率提升至Ka波段，信號容易因環境影響，所以更需要使用氮化鎵之功率放大器，以提升基地台信號強度及服務品質。另外，因採用Massive MIMO技術，所以5G基地台需要功能強大、但是數量更多的氮化鎵PA來組成射頻模組。要達到同樣覆蓋率，5G基地台數量將是4G基地台的倍數以上，進一步擴大氮化鎵射頻元件的應用。
而繼5G之後目前已經有人開始為下世代6G通訊佈局，低軌道衛星通訊亦可望成為下世代行動通訊不可或缺的要角，例如: 美國SpaceX公司預計發射42,000顆微型衛星[18]、加拿大的Telesat預計發射220顆大型衛星、美國Blue Origin公司預計發射3,236顆小型衛星[19]。氮化鎵射頻元件將可望在這些衛星通訊中發揮功能。
在電力電子領域，由於氮化鎵具有高電子密度之二維電子氣(2DEG)，使氮化鎵功率元件擁有高電子遷移率及較低的導通電阻(為IGBT之1/5~1/10)，大大降低開關的導通損耗。其次，氮化鎵功率元件具有較低的寄生電容，可提供較快的開關切換，其切換速度較矽功率電晶體快(為IGBT之10倍以上)。
整體來說， 氮化鎵在高壓高功率的應用性能上的確不如SiC。然而，未來氮化鎵有望在中低功率領域代替矽基之二極體、MOSFET等功率元件。依電壓來分， 0V~600V之間是氮化鎵的優勢領域；600V~900V 氮化鎵與SiC處於相互競爭之態勢；900V以上SiC較具優勢。圖三顯示不同半導體材料功率元件之應用與優勢領域[20]。
目前成長最快速的GaN功率元件應用為氮化鎵快速充電器。自2018年3月英國的The Mu公司採用Navitas公司的GaNFastTM解決方案推出第一款45W氮化鎵快速充電器以來，各種氮化鎵快速充電器已如雨後春筍般快速冒出。目前不僅65W快速充電器已成為主流產品，100W~125W氮化鎵快速充電器也有廠商開始陸陸續續推出，儼然已成為成長最快速的市場。由於採用氮化鎵功率IC所製作的快速充電器體積小便於攜帶、瓦數高但又不會嚴重發熱導致溫度過高，價位也在消費者可接受範圍，因此氮化鎵快速充電器未來可望取代矽功率元件所製作之低瓦數充電器，成為市場主流產品。加上最近推出的蘋果iPhone 12手機已不隨機附送充電頭，甚且鼓勵其他手機廠商比照辦理，這將更可能會促使氮化鎵快速充電器的市場規模更快速擴大。
圖3、不同半導體材料功率元件之應用與優勢領域[20]
資料來源：國立陽明交通大學複合物半導體研究中心
氮化鎵功率半導體另一項值得注意的應用是無線充電，尤其是電動代步車、無人機與電動車，在當今環保節能日漸受到重視的時代，未來都將會是無線充電可以大大發揮的重要應用，而基於先前所描述的元件特性，高瓦數的無線充電，氮化鎵功率半導體將會扮演重要角色。
此外，由於新冠病毒全球性大爆發的影響，非接觸性的服務開始受到重視，無人機宅配服務即是其中一項。為了降低人力需求與充電站營運成本，高功率無人機無線充電站未來勢必將日漸普及。最近亞馬遜的Prime Air無人機隊繼Alphabet旗下的Wing Aviation及UPS的Flight Forward之後，成為全美第3家取得美國聯邦航空總署（Federal Aviation Administration，FAA）Part 135許可證的公司[21]，儘管目前尚未開始提供服務，但等技術更加成熟後，未來無人機的商用服務勢必逐漸興起，進而促使氮化鎵功率半導體的應用更加擴大。
而電動車無線充電所需要的功率更高，氮化鎵功率半導體將扮演不可或缺的角色，但由於目前電動車無線充電標準尚未確定，無線充電站的建置成本較高，加上多數電動車也尚未支援快速無線充電功能，因此預計這項應用的普及還需要數年時間。不過挪威政府今年與Momentum Dynamics公司合作開始提供電動車無線充電[22]，而中國電力企業聯合會 (CEC) 批准的電動車無線充電標準GB/T 38775，乃基於WiTricity的無線充電技術，預期將於2020年11月1日開始實施[23]，因此電動車無線充電的普及，將是指日可待之事。
氮化鎵半導體元件技術發展趨勢
目前氮化鎵半導體元件所採用的基板，主要是SiC基板 (GaN on SiC) 與矽基板 (GaN on Si) 兩種，另外也有公司採用藍寶石基板 (GaN on Sapphire)。而氮化鎵基板(GaN on GaN)主要是在製作垂直型氮化鎵元件時才會採用，因成本太高，因此目前商業上採用者較少。
通訊應用方面，多數廠商均以SiC基板製作功率放大器等氮化鎵元件。唯一以採用矽基板為主的公司為MA-COM，但其產品均以6 GHz以下為主，僅適用於5G低頻頻段。目前Qorvo已推出Ka頻段(27-40GHz) GaN on SiC功率放大器(PA)產品，對於5G毫米波波段的應用已做好準備，屬於技術領先族群。另外Cree子公司Wolfspeed及ADI也有Ku頻段(12-18GHz) PA產品，其他氮化鎵RF IC製造商則以6GHz以下的產品為主力。但為了提升5G網路資料傳輸度，往毫米波頻段(24 GHz~40 GHz) 發展是必然的趨勢。等各國電信商打算開始佈建毫米波頻段基地台時，相信現有廠商將會陸陸續續推出適用該頻段的RF IC產品。
電力電子應用方面，多數氮化鎵功率元件廠商均以矽基板為主，僅有Power Integrations公司採用藍寶石基板[24]。目前GaN-on-Si之矽基板以6吋為主，但最近將會逐漸發展成以8吋為主流。有幾家廠商已推出工作電壓600V~650V之GaN-on-Si功率元件，但是僅有Transphorm公司推出工作電壓達900V、功率最高可達10KW之功率元件[25]，未來GaN功率IC之工作電可望達到1,200V，預計將會在工作電壓600V~1,200V之間與碳化矽功率元件形成競爭。
短期內SiC晶圓成長緩慢的問題依舊存在，即使未來成本下降其價格也仍然會高於矽晶圓甚多。若GaN-on-Si功率元件技術能順利往8吋矽晶圓發展，一旦技術成熟後，工作電壓1,200V以下之GaN-on-Si功率元件基於其比較低之成本，當能與SiC功率元件競爭。然而工作電壓1,200V以上之功率元件，在可預見的將來可望持續會是SiC功率元件的優勢領域。
不過另一個值得注意的趨勢是，近年來垂直結構氮化鎵功率元件已成為學術界和產業界的一個研究亮點，並且普遍被認為是有潛力應用於下一代650V~3,300V電力電子系統的元件，相對SiC功率元件有足夠競爭力。儘管目前通訊與電力電子應用的氮化鎵基板價格仍十分昂貴，日本依舊持續積極研究可大幅降低成本的方法，尤其最近東北大學與日本製鋼所及三菱化學剛發表可量產高純度氮化鎵單結晶基板的新方法[26]，相關後續發展值得進一步觀察。
橫向型GaN電晶體的功率一般受限在幾千瓦之內，更高的功率需要顯著增加電晶體尺寸、會有材料利用效率降低以及可靠性變差等問題。橫向型GaN電晶體還會有表面電子缺陷問題，尤其在高電壓工作條件下有電流崩塌現象會嚴重降低元件性能，影響元件的長期穩定性和可靠性，這也是目前非GaN基板之GaN HEMT功率元件以650V為主流的主要原因之一。
此外，垂直結構電晶體可以提供比橫向電晶體更大的功率密度、更高的切換頻率，其更均勻的電流和電場分佈，使得其散熱性能優於橫向電晶體，更因基板與磊晶層之間沒有晶格不匹配的問題，因此可以長出非常厚的磊晶層，可容許製作非常高電壓的元件，且元件尺寸能比橫向結構之元件更小，更能節省材料成本，進一步降低元件之生產成本。因此，未來市場上推出商用GaN on GaN元件應是指日可待的一件事。
自1993年起，氮化鎵開始大量使用在光電產業，日亞化學的中村修二成功透過氮化鎵製作出藍色LED[27]，湊齊LED光三原色的最後一色，使氮化鎵成為藍光LED的主流材料。氮化鎵材料的LED應用並不是本特刊所要探討的主題，然而，因為藍光LED的大量普及，才使得氮化鎵的材料特性逐漸受到半導體業重視，進而開展出其他應用。氮化鎵半導體元件主要分為射頻(RF)元件和電力電子元件兩大類，射頻元件產品主要以包括射頻功率放大器(PA)元件、單晶式微波積體電路(MMIC)等，主要市場為行動基地台、衛星、雷達等。電力電子元件(或稱功率元件)產品則包括蕭基二極體、常關型HEMT、常開型HEMT、串疊 (Cascode) HEMT等產品，主要市場包括快速充電、無線充電、電源開關、逆變器、變流器等。以下將從產業鏈的角度說明全球氮化鎵半導體產業的發展，從基板/晶圓、磊晶、元件設計、元件製造及設備廠商等領域逐一介紹。
在基板/晶圓方面，目前多數氮化鎵元件主要製作於矽基板與SiC基板上。SiC基板上製作氮化鎵元件則以射頻元件為主，射頻功率放大元件對晶體之絕緣與散熱之要求極高，目前高性能之高頻元件多製作於高導熱、高絕緣，且與氮化鎵晶格匹配較佳之SiC基板。矽基板上製作之氮化鎵元件主要為功率元件，元件尺寸較大，且需與傳統矽基MOSFET競爭，基板之成本為重要考量，故以矽基板為主流。矽晶圓因已成為成熟產業，其競爭態勢相當穩定，因此在此不多做說明，目前全球前五大矽晶圓廠為日本信越半導體、Sumco、環球晶圓、德國Siltronic及LG。至於採用藍寶石基板與氮化鎵基板的廠商並不多，因此這兩種基板不進一步做說明。
SiC基板散熱性最佳，但價格較高，主要應用於製作通訊用氮化鎵元件。SiC基板目前處於接近供不應求的狀態，熱賣的Tesla電動車採用SiC製作的高功率元件是主因之一。SiC基板主要供應商為Cree，市佔率高達6成，其他供應商包括II-VI、Si Crystal、Rohm、Norstel AB等。目前SiC基板以4吋及6吋為主，近幾年6吋將成為主流，再逐漸邁向8吋SiC基板。II-VI公司已於2019年開始提供8吋SiC基板，Cree也於2019年5月宣布斥資10億美元擴大SiC碳化矽基板產能，預計生產8吋SiC基板，以因應未來之龐大需求[28]。
目前全球提供氮化鎵磊晶服務的公司，在GaN on SiC磊晶方面，主要包括法國Soitec、日商住友旗下SCIOS、NTT-AT與Dowa、英國IQE等。在GaN on Si磊晶方面，主要包括法國Soitec、德國Allos Semiconductor及日本NTT-AT與Dowa等。目前GaN on SiC磊晶以4吋及6吋為主； GaN on Si磊晶以6吋及8吋為主。
在元件設計方面，目前氮化鎵射頻功率放大器已逐漸於國防及基地台應用成熟，未來5G毫米波頻段的基地台，氮化鎵射頻元件無疑亦是首選。由於這些高端應用市場是以質取勝而非以量取勝，因此元件設計製造目前仍以IDM廠商為主，主要廠商為美國Cree與日本Sumitomo，其次為Qorvo與MACOM，在國防與航太應用領域則以Qorvo市佔率最高。另外，純氮化鎵RF IC設計公司包括韓國RFHIC及從恩智浦(NXP)獨立的Ampleon等。GaN on Si技術雖然製造成本較低，但因矽基板散熱能力較差，往高頻發展有技術上的困難，目前無法應用於毫米波頻段。
2010年左右，氮化鎵功率元件開始商業化，美國EPC與International Rectifier (已與英飛凌合併) 相繼推出氮化鎵功率元件產品。如前所述，基於成本考量，目前氮化鎵功率元件的製作均以GaN on Si技術為主。在氮化鎵功率元件設計方面，純功率元件設計公司有許多家，主要包括Transphorm、GaN Systems、EPC、Navitas、Power Integrations、德國Dialog及以色列的VisIC等。除了市場規模因素以外，因製程上與純矽晶圓相似程度較高，全球提供GaN on Si代工服務的公司也比較多，因此容許較多純IC設計公司存在。另外，氮化鎵功率元件IDM廠商則主要包括意法半導體(ST Microelectronics)、英飛凌(Infineon)、德儀、恩智浦(NXP)、On Semiconductor、日本Panasonic、Sanken等公司。
在元件製造方面，除了前面所提到的IDM廠商之外，尚有不少廠商提供氮化鎵元件代工製造服務，射頻元件方面，韓國RHFIC由Qorvo代工生產，Ampleon的GaN射頻元件則委由法國UMS(United Monolithic Semiconductors) 代工生產。另外，IDM廠商Cree旗下的Wolfspeed及IDM業者Qorvo也有提供GaN on SiC晶圓代工服務。法國IDM廠商OMMIC於2017年興建全球第一條6吋GaN on Si生產線，並提供晶圓代工服務。這些具有完備資源的IDM廠也跨入晶圓代工服務，除了代表目前代工服務的利潤並不差之外，對純晶圓代工廠而言，未來其競爭狀況勢必更加激烈。
中國發展氮化鎵產業雖然起步較晚，但在磊晶與晶圓代工並不缺席。中國官方先前就已將半導體產業視為國家戰略，2014年設置大基金(國家集成電路產業投資基金)一期，投資半導體產業發展[29]；2016年頒布《十三五國家科技創新規劃》，將第三代半導體列為先進電子材料項目的發展重點之一[30] ；2019年大基金二期人民幣2,041.5億元已就緒，可望於2020年起注入資金於化合物半導體發展[31]。不過到目前為止，中國廠商的技術能力仍與國外廠商有一段差距，在良率及實際投產方面普遍沒有比較明確可靠的訊息。
長三角為中國氮化鎵產業的重點發展區域，具備完整產業鏈。蘇州能訊為中國第一家製造氮化鎵元件的廠商，目前已提供多種射頻產品；江蘇能華，蘇州晶湛則有GaN-on-Si磊晶，目前亦有提供於SiC、藍寶石上之氮化鎵磊晶產品。重慶聚力成提供GaN-on-Si磊晶製程與氮化鎵晶圓代工服務。三安集成與海威華芯為純氮化鎵晶圓代工業者，廈門三安集成為中國第一家建有6吋氮化鎵與SiC晶圓代工產線的廠商。另一家值得注意的廠商為英諾賽科，擁有8吋 100-650V GaN on Si磊晶與元件製造能力，目前已分別在珠海及蘇州吳江各設立一條生產線。2020年爆發的65W氮化鎵快充充電器，除了Navitas與Power Integrations兩家公司為氮化鎵功率元件主要供應商之外，另一家主要供應商就是英諾賽科，代表其產品已具有一定的市場競爭力。
台灣在氮化鎵半導體的布局上，主要多由矽晶圓代工廠及砷化鎵磊晶廠、代工廠及IDM廠切入這個領域。
在射頻放大器領域是以SiC基板為主。磊晶方面，目前全新光電已能提供磊晶製程服務，Qorvo與全訊科技均為其客戶。晶圓製造方面，化合物半導體晶圓代工廠穩懋則是提供6吋GaN-on-SiC晶圓代工，環宇也提供4吋GaN-on-SiC晶圓代工服務，並已通過6吋代工認證。另外，全訊科技也已提供氮化鎵射頻產品。
在電力電子領域，相關廠商亦橫跨產業鏈從磊晶到製造端。在氮