顧鴻壽、林志杰 / 台北海洋科技大學創新設計學院
由企業社會責任(Corporate Social Responsibility; CSR)轉進於環境社會治理(Environmental Social Governance; ESG)，以符合聯合國於2015年所公布的永續發展目標(Sustainable Development Goals; SDGs)，共計有17項永續發展目標以及169項隨附的指標。2030 年的目標需要能夠達到將業務產生的碳排放量減半、降低產品與供應鏈的碳排放量、取得所有製造廠的零廢棄物填埋認證，以及在2030 年前營運達到碳中和，朝向實現節能、減碳、碳中和、淨零社會。
新穎而具有環保綠能的創新材料，成為大家追逐的研究主題之一；相較於目前普遍使用的氮化鎵(GaN)以及碳化矽(SiC)第三代半導體，對於具有更寬大能隙值半導體的氧化鎵，被期待可以運用於超高耐電壓元件的新領域應用。在日本，氧化鎵的研究以及生產，已是領先全球各國的，現行積極發展的技術是以熔融液體法(Melt)來成長大型單結晶以及以鹵化物氣相磊晶法(Halide Vapor Phase Epitaxy; HVPE)來成長高品質磊晶薄膜等技術，以建立規模量產化的製造技術及其優質的材料。
本文將著重於『氧化鎵(Ga2O3)半導體的材料特性』、『氧化鎵半導體長晶技術所面臨的問題』、『氧化鎵半導體電力電子元件所面臨的問題』、『日本政府機構的支持與期待』等方面來敘述。由日本的規劃以及所面臨的問題，可以提供國內產、官、學、研作為參考之用。
氧化鎵半導體的材料特性
在本章節之中，將就「利用寬能隙半導體達成電力電子元件的高效率化」、「新型寬能隙半導體氧化鎵的材料特性」、「氧化鎵結晶中的價電子控制」等議題來敘述之。
就利用寬能隙半導體達成電力電子元件的高效率化而言，希望有效地實現節能、減碳、碳中和(Carbon Neutral)、淨零(Net-zero)的SDGs目標，電力電子元件的電力轉換效率提升是相當關鍵性的，如以直流--交流轉換、交流電壓、頻率調整為主的變流器。在日本國內的能源消費是年年增加的，家用冷氣機、冰箱，產業用的大型設備等，其電力消耗中的馬達約佔總體的六成左右，這些產品的能源轉換效率是由電力電子元件的性能所左右。
近幾年，隨著汽車加速電動化，輸送機器的電力使用比例也急遽地增加中，特別是數百伏特充電電池直流轉換而使用三相馬達(Three-Phase Motor)來進行運作，系統電源對電池充電時的直交流變換控制的變流器或者器(Converter)，已經成為決定電動車能源轉換效率極為重要的一項關鍵性零組件。另外，伴隨綠色再生能源的擴大發展，太陽能電池、風力發電、燃料電池供給電力所使用的直流-交流變換、頻率變換等電力變換的需求也急遽地升高中，多餘電力需要立即為大型充電電池充電時，所需使用不可或缺之大規模的直交流變換的重要設備，例如：整流器(Rectifier)、逆變器或變頻器(Inverter)、截波器(Chopper)等。
在直交流轉換的過程中，經常地伴隨元件電流因阻抗導致的熱能量損失(導通損失)以及無法避免於開關瞬間產生的電荷分佈回復過程中的損耗。這些損失依其電力以及頻率而有所相異，可達數%～數十%。以往，利用矽(Si)的電力電子元件即使不斷改善，但仍有其材料物性的極限，要降低這類損耗會面臨極大困難。相較以往的Si半導體，期待能以寬能隙半導體達成損耗降至數百分之一～數千分之一的水準。這是由於能隙越寬的材料可設計成承受較高電壓的元件構造，其絕緣破壞電場強度較大，即是電荷由半導體流出的電場(累增崩潰)較大之原因。目前，應用於電力電子元件已經在使用的碳化矽、氮化鎵，推測於2030年左右，世界上電力電子元件市場約有10%將使用新型寬能隙半導體。新規格寬能隙半導體氧化鎵，其成長可望將於2030年超過目前GaN的市場。
就新型寬能隙半導體氧化鎵的材料特性而言，寬能隙半導體氧化鎵具有α、β、γ、δ、ε等五種不同的結晶構造，其中低溫常壓而安定的結晶相是β相，準安定的結晶相是α相，此二結晶相的成長技術已經被確立。α相的能隙值是5.3eV，而β相的是4.5～4.9eV左右，相較於4H-SiC (3.3eV)以及GaN(3.4eV)，氧化鎵的能隙是---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
表一、電力電子元件或功率元件用之各種不同半導體材料的物性比較