- 氮化鎵材料迎來新應用 快充、電動車功率元件、５Ｇ射頻、MicroLED新技術少不了它
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繼小米、Oppo快充插座大量導入氮化鎵(GaN)技術、並開始進入大規模成長之後，台積電(2330)及歐洲功率元件ＩＤＭ大廠意法半導體(ST Microelectronics)宣布攜手合作開發氮化鎵(GaN)製程技術，推進電動車功率元件市場，氮化鎵技術在新的應用場景落地將再下一城！氮化鎵材料產業的投資能見度也將再上層樓。
磊晶廠磨劍多年擁優勢
一般預估，未來三到五年，包括電動車、５Ｇ通信乃至於新世代顯示技術MicroLED的應用，都和氮化鎵技術脫離不了關係，然，氮化鎵屬三五族化合物半導體材料，實務上來看，過去在結合傳統半導體製程，都面臨良率提升困難，氮化鎵材料特殊的複雜性是最大關鍵，而也正由於進入門檻高，未來有實力勝出廠家，將相對有看頭。
氮化鎵其實是第三代半導體材料中的一環，其他包括碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AIN)等，都是所謂的寬能隙半導體材料。簡單來說，寬能隙半導體是高溫、高頻及大功率元件的最適材料，和第一代的矽、第二代的砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)、磷化銦(InP)…等相較，第三代半導體材料在化學穩定性、導熱、導電性能都更好，加上能耐高電壓、高電流、也具高頻，能廣泛地符合５Ｇ、電動車、消費性電子產品的電力快充及射頻需求，但就材料特性來看，目前發展較成熟的是碳化矽及氮化鎵，至於氧化鋅、金剛石及氮化鋁等材料的應用，都尚不成熟。
然如上所提，化合物半導體有其特殊的複雜性，光在磊晶部分，依製程的不同，良率就可能大異其趣。一般而言，化合物半導體磊晶製程可分為LPE(液相磊晶)、MOCVD(有機金屬氣相磊晶)及MBE(分子束磊晶)。
不同基板材料發展各異
其中，LPE的技術較低，主要用於一般的發光二極體，四元LED的技術多屬於這部分；而MBE的技術層次較高，容易長出極薄的磊晶，且純度高、平整性好，但量產能力低，磊晶成長速度慢，國內已掛牌的MBE製程代表廠家為IET-KY(4971)，也是全球唯二的MBE磊晶廠；MOCVD則是除了純度高、平整性好外，量產能力及磊晶成長速度都較MBE為快，也因此，目前大多數廠商都以MOCVD來生產，代表廠除了兩岸的磊晶龍頭廠晶電(2448)、三安光電(600703.SZ)外，就連這幾年因為蘋果３Ｄ感測而受矚目的英國IQE及美國Finisar等，也都以MOCVD為主要磊晶製程。
「比起液體，氣體的控制難度不僅高、且高出很多」，熟悉LED磊晶製程的工程師即指出，氣相磊晶(MOCVD)比起傳統的液相磊晶，更難控制許多，而這也是為何氮化鎵磊晶的良率一般能達到八成以上，就已經算是很不錯的製程水準，這看在良率動輒九九％以上的半導體業者眼裡，很是匪夷所思，而這根本原因就在於化合物材料的複雜性。
磊晶之後，結合基板又是另一大量產考驗。氮化鎵目前在LED的應用已相當成熟，但基板的應用主流是藍寶石，而非矽基板，原因在於氮化鎵的熱膨脹係數遠大過於矽，這種不協調的狀況可能會在製程中導致磊晶膜破裂或晶圓彎曲變形，雖然在大尺寸、成本低廉的矽晶圓上長成氮化鎵，並用半導體生產線相容的製程，成本會減少很多，但最終LED的量產應用，仍以藍寶石基板為主流。
但如上所提，氮化鎵具有高溫、高壓、高頻、高功率操作的特性，除了可作為LED光發材料外，還有很多的出路，如用於５Ｇ的微波射頻或電力電子領域，這些具成長潛力的領域，都是大廠磨刀霍霍跨足氮化鎵領域的原因。
惟隨著氮化鎵基板材料的不同，應用場景及最終商用化的時程也多有不同。就基底材料來看，業者指出，GaN-on-Si及GaN-on-GaN都是電力電子應用領域，微波射頻則將主要應用GaN-on-Sic技術。
三安、晶電磊晶大贏家
就矽、碳化矽及氮化鎵三種基板材料來看，氮化鎵的各項性能都優，與氮化鎵磊晶的匹配度最高，但最大的缺點就是基板材料尺寸小，量產成本高出許多；其次是碳化矽，雖然目前的量產可達六吋，按照全球SiC基板產量最大的廠商CREE的規劃，二○二二年將可量產八吋，但碳化矽一樣有成本過高的問題，原因在於碳化矽晶體的長成過程遠比矽晶體更費時冗長，不僅晶體長成難度高，後面的切磨拋也是問題，因此，一般預估，碳化矽要大量成熟應用，至少還要三年以上。
隨著時間推移至今，製程已相當成熟的矽，是目前能優化大尺寸氮化鎵磊晶技術的基板材料，也是短時間內最具有經濟效益的產出，據了解，氮化鎵技術目前已可與八吋晶圓廠製程匹配，因為GaN元件有高頻率、小體積的優勢，主要應用將在快充。惟業者指出，該技術仍面臨異質磊晶結構缺陷等問題，較適合一○○∼二○○Ｖ的應用，在稍高能量密度的應用上，GaN-on-Si則有可靠性的顧慮，若要滿足六○○Ｖ以上的高功率應用，一則需要技術進一步突破，再者就是採用GaN-on-GaN，因為其品質相對較為穩定，可能較適合，然而，GaN-on-GaN由於基板尺寸小，成本也相對較高，現階段僅可能為電動車高壓利基市場應用。
總括來看，技術層面而言，GaN的材料應用已經是現在進行式，隨著下游應用逐漸開展，中游晶圓代工量產實力也持續躍進下，具備GaN磊晶實力的上游化合物半導體廠包括陸廠三安光電、台廠晶電、IET-KY等，預料也將迎來新的應用春天。
其中，晶電自二○一五年取得德國ALLOS Semiconductors矽基氮化鎵(GaN-on-Si)的技術授權後，旗下晶成半導體GaN-on-Si晶片已投產，另公司也正積極研發GaN-on-GaN技術，將瞄準600V以上的功率元件應用，以取代MOSFET、IGBT等矽功率元件應用，技術到位後，就待訂單手到擒來，中長期的發展前景也可期。
