諾貝爾獎得主天野浩：將用 GaN 繼續改變世界

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。

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。