第三代半導體未來之星，氮化鎵挾眾多優勢攻入快充、5G 市場
三五族半導體「氮化鎵（GaN）」可說是現在當紅炸子雞材料，漢磊、穩懋、環宇等台廠紛紛搶進氮化鎵領域，台積電更在上月宣布與意法半導體合作切入氮化鎵市場，與此同時，聲稱性能更勝以往的氮化鎵充電器也出現在大眾眼前，到底它有什麼魔力？
氮化鎵是氮和鎵的化合物，除了是一種直接能隙半導體，同時也是第三代半導體材料之一。與第一代半導體材料矽、鍺，和第二代半導體材料砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）相比，列為第三代半導體材料的碳化矽（SiC）、氮化鎵具有更好的物理和化學特性，導熱性能更好，也具耐高電壓、高電流、高頻特性。
氮化鎵並不是新興材料，其實 30 年前就出現在發光二極體（LED）研究中，也是 2014 年諾貝爾物理學獎的重點，三位科學家以氮化鎵研發出高效又省電的藍色 LED，成功補上幾十年來只有紅光、黃光、綠光，缺一角的 LED 拼圖，最後使得 LED 白光照明成真。
而氮化鎵除了在 LED 領域發揚光大，現在也被認為能代替矽半導體，跨入射頻元件、電源轉換等電力電子領域，因為氮化鎵是種寬能隙半導體（wide-bandgap semiconductors，WBG），氮化鎵能隙為 3.2eV，是矽（1.12eV）的 3 倍，能隙越高、就越耐高壓，崩潰電壓可以達到 600V，還有著高飽和電子遷移速度、高熱導率、開關速度快等特點，因此挾帶眾多優勢的氮化鎵等寬能隙材料，將來可抵達矽到不了的境界。
且氮化鎵的寬能隙特性，使之元件阻性損耗小、效率高，相同電壓與電流下，氮化鎵元件尺寸可以做得更小。因此氮化鎵能符合電動車、消費性電子產品，以及 5G 射頻需求，這些也是大廠紛紛跨足氮化鎵領域的原因。
其中氮化鎵以基板區分的話，分為純 GaN 以及矽基板氮化鎵（GaN-on-Si）、碳化矽基板氮化鎵（GaN-on-SiC），集邦科技拓墣產研分析師表示，目前純 GaN 成本較為昂貴，純 GaN 2 吋要價 2,500 美元，現階段僅會應用在高階 LED 產品或是更高壓的產品，現在較常見的是在電力電子領域的 GaN-on-Si 以及 5G 射頻應用的 GaN-on-SiC。
台廠也沒有缺席
電力電子領域範圍廣泛，從智慧型手機的充電器、變頻器到大型發電廠設備，如何有效地控制和轉換電力相當重要，且 GaN-on-Si 電晶體比矽基金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）還要小，因此相對處理速度較快，而開關速度快也能提升整體電路的能源效率。
隨著氮化鎵磊晶技術的進步，氮化鎵也逐漸攻入充電器領域，目前中國 OPPO、小米、倍思也紛紛推出氮化鎵充電器，多提到可提高輸出功率、縮小體積與解決過熱問題。同時氮化鎵 GaN-on-SiC 也能應用在 5G 、軍事雷達、低軌衛星等射頻領域，因此高速發展的 5G、智慧化與聯網化都能帶來新機會。
惟目前 GaN 成本仍然較高，縱使氮化鎵電晶體及積體電路的製程跟矽基功率 MOSFET 相似，但 GaN-on-Si 與 GaN-on-SiC 多了一個磊晶步驟、製程條件也稍有不同，以性能來說，雖然 GaN-on-SiC 性能相對較佳，但價格大幅高於 GaN-on-Si，集邦科技拓墣產研分析師表示， 6 吋 GaN-on-SiC 約 1,200-1,300 美元， GaN-on-Si 6 吋則是落在 500 美元，
不過隨著製造製程的提升和成本的下降，未來氮化鎵有機會在市場占一席之地，集邦科技拓墣產研分析師認為，氮化鎵也不會完全取代矽半導體的地位，目前氮化鎵適用於 600V 以下應用，若不是高壓、高導電與導熱需求，傳統矽基 MOSFET 已足矣，傳統矽基半導體和新興第三代半導體將能相互補充與共存發展。
目前台廠在第三代半導體也沒有缺席，台積電已提供 6 吋 GaN-on-Si 晶圓代工服務，並宣布和意法半導體共同合作氮化鎵製程技術的研發；嘉晶 6 吋 GaN-on-Si 磊晶矽晶圓，也已經入國際 IDM 廠認證階段；漢磊投控集團的晶圓代工廠漢磊科則瞄準車用需求，已量產 6 吋 GaN on Si 晶圓代工。
碳化矽基板部分，雖然磊晶技術主要集中在碳化矽美國晶圓大廠 Cree 與日本 Rohm 手中，持市場領先，但這也是台灣代工新領域，台廠穩懋提供 6 吋 GaN-on-SiC 晶圓代工服務，而環宇也擁有 4 吋 GaN-on-SiC 產能，且 6 吋 GaN-on-SiC 晶圓代工產能已通過認證。
（首圖來源：shutterstock）