諾貝爾獎得主天野浩:將用 GaN 繼續改變世界

電動車、5G、再生能源等新興應用迅速發展下,對於功率和電力元件的高度需求帶動化合物半導體的蓬勃發展,不僅大廠爭相投入,各國也將其視為國家戰略重點。半導體材料的發展,已從第一代的矽、第二代的砷化鎵(GaAs)/磷化銦(InP)、演進到如今以氮化鎵(GaN)及碳化矽(SiC)為主的化合物半導體。

名古屋大學教授天野浩(Hiroshi Amano),因發明藍色發光二極體(LED)獲選諾貝爾物理學獎,對全球有極大的貢獻。獲獎後他仍持續投入GaN研究,期待透過GaN裝置繼續改變世界,並應邀於鴻海NExT Forum與全球產學研專業人士分享最新的研究成果

市佔率超過 42% GaN前景看好

市場研究機構指出,光是以 GaN 為材料的電力元件,市場規模就從幾年前僅千萬美元,成長到 2020 年近 140 億美元,且在整體化合物半導體裝置佔比超過 42%,更預估 2025 年可期望至 181 億美元的規模,複合年均成長率預估的 5.6%,前景十分令人看好。

市GaN發展兩階段:從異質基板到 GaN on GaN

在目前階段,GaN on sapphire(藍寶石), GaN on Si, GaN on SiC 等異質基本的形式將繼續主導基板市場一段時間。不過,像是 GaN 這樣的寬能隙半導體,具有高電子遷移率和寬能隙能量,可以在高電壓和高溫環境下工作,如汽車應用。

與 SiC(碳化矽) 等比較,GaN 具有更高的介電強度和更高的電子遷移率,因此各項指標都大於 SiC,顯示 GaN 功率元件具有優異性能。所以,利用 GaN 材料作為電力電子元件的基板不僅限於學術界,許多微電子領域的大公司也在投資研究 GaN 解決方案。

因為具有非常大的工作頻率範圍,GaN 之所以能成功做為高性能應用的基板材料,主要是將 GaN 基板元件與 CMOS 元件整合可行性進行大量研究的結果,例如LED, HEMTs等。

以 HEMTs(高電子移動速度電晶體)為例,GaN 具有矽無法達到的優勢,特別是它具有更高的臨界電場,而使其對功率半導體元件非常有吸引力,而且它具有非常好的導通阻抗和比矽開關更小的電容,因此使得GaN HEMT特別適合高速開關。

從藍光LED到深紫外光 對抗病毒新武器?

而LED方面,以「低溫沉積緩衝層技術」合成出高品質的氮化鎵晶體,以氮化鎵的pn 結構研發出藍色發光二極體後,更進一步在科學研究及科技發展上突破,將研究重心從藍光LED轉到紫外線LED。

天野浩研發出的 UV-C LED 產品可以平均波長強度,達到更好的殺菌能力。深紫外線 LED (DUV LED) 產品高效率化則以提升外部量子效率為主,主要包含三大因素:內部量子效率、電子注入效率與出光效率。透過技術,內部量子效率將可提升到60~80%;而多重量子障壁 (MQB)中降低載板密度(Carrier Density)也可將電子注入效率提升到大於80%。並期待未來可將這項技術應用於空氣淨化機器人上。

氮化鎵功率半導體在電動車市場備受矚目

氮化鎵功率半導體則是天野浩關注的另一個研究重點。在人口持續成長且消耗大量能源的現代社會,如何有效率提升能源轉換、減少能源浪費跟降低碳排放量,是全世界科學家關注的議題。

天野浩指出,若能以氮化鎵電晶體取代當前普及的矽電晶體,電力轉換的效率將會大幅提升。此外,氮化鎵技術也是無線傳輸的重要關鍵。除了物聯網的資訊傳輸之外,氮化鎵還能應用在無線電力傳輸,日常生活中的電器用品將不再需要接線充電,這項變革將徹底改變當前的生活方式。

身為寬能隙半導體的氮化鎵(GaN),在電動車市場也備受矚目。氮化鎵元件擁有高轉換效率、小尺寸等優勢,在高功率應用中可以達到更大的節能效益,且能在更高溫的環境下運作;適用於100V-650V 之間的應用,GaN 逆變器的效率更可以高達 99.4%,意味著僅有 0.6% 的損失(傳統做法所產生的能量損失大於3%)。因此繼碳化矽之後,氮化鎵也成為功率半導體供應商積極發展的目標。

車用半導體需求大 台灣IC產業新機會

總體來說,隨著電動車愈來愈普及,市場對高效能電源管理的需求仍會不斷成長;而寬能隙半導體能為電源應用帶來十分顯著的好處,也讓國際功率半導體供應商,以及台灣晶圓廠、代工廠等業者積極投入相關產品及技術發展。而在碳化矽、氮化鎵產品紛紛問世之後,誰能用更低的成本向終端產品製造商提供元件,克服現有價格偏高的挑戰,以獲得更大市占率,值得觀察。

不僅如此,汽車產業邁向電動車化的同時,也朝向智慧化發展。如特斯拉大量採用雷達、攝影鏡頭等感測技術,以強化行車安全性,而這也使得台灣半導體業者帶來新的發展機會。

從應用面來看,氮化鎵應用包括變頻器、變壓器與無線充電,為國防、雷達、衛星通訊與無線通訊基地站等無線通訊設備的理想功率放大元件。

而氮化鎵當前最大的阻礙在於,目前的開發成本依然太高,透過學術跟產業界的互補結合,從氮化鎵晶體成長,到光學設備研發,再到能源及無線傳輸,集結各路菁英的研究,期待在更多創新應用上有突破跟進展。天野浩表示,聯盟的研究團隊目前正在研發降低氮化鎵成本的技術,如果成功,將能夠大幅降低成本並加速商業化進程。

發佈留言

回到頂端