氮化鎵異質磊晶技術：材料世界網

李映萱 / 工研院材化所

氮化鎵(GaN)以其高電子遷移率、寬能隙與高崩潰電場，成為新世代功率與射頻半導體的核心材料。由於單晶GaN成長困難且成本高昂，目前主流技術為異質磊晶，將GaN成長於Si、SiC、QST^®等基板上，以兼顧成本與性能。不同基板各具優缺點：Si成本最低但散熱差；SiC熱導率佳，適合高功率；QST^®可突破厚膜限制，支撐超高壓應用；AlN與GaN單晶則定位於高階利基市場。異質磊晶的挑戰主要在晶格失配與熱膨脹係數差異，需透過緩衝層設計與複合基板工程來解決。未來發展將聚焦於大尺寸基板突破、高壓電力電子應用、異質整合封裝、新型緩衝層設計，以及利基市場拓展，推動氮化鎵在消費電子、電動車、再生能源、AI資料中心與新興光電領域的全面商用化。目前主流技術為將GaN成長於矽、碳化矽等不同材質的基板上，能大幅降低生產成本並擴大產能，促進了GaN元件的商業化應用。本文將簡介氮化鎵異質磊晶(Heteroepitaxy)的製程技術、主流基板特性、技術瓶頸，以及未來的發展趨勢。

【內文精選】

「矽」為半導體產業的基石，長久以來稱霸全球科技產業。然而，由於電子在矽中具有較大的等效質量，且易受晶格散射影響，其電子飽和速度相對較低，使矽基元件在高速運算應用上受到限制；此外，矽的能隙較小，當半導體溫度升高時，受熱激發載子濃度增加，導致漏電流上升，進而影響元件運作的穩定性。矽基元件在高頻、高壓與高溫環境下的侷限性，促使寬能隙化合物半導體的發展。

圖一、GaN與Si材料特性比較

氮化鎵(Gallium Nitride; GaN)為化合物半導體的代表之一，具有高電子飽和速度及優異的載子傳輸特性，在高頻操作條件下展現卓越性能，特別適合5G通訊基站、雷達及射頻元件等高頻應用。此外，氮化鎵的能隙約為矽的三倍，崩潰電場約為矽的十倍，如圖一所示，使其能承受更高的操作電壓。GaN元件在相同耐壓條件下可大幅縮短漂移區厚度，降低導通電阻，不但有效提升電力轉換效率，也可縮小元件尺寸。使得氮化鎵成為從消費性電子的微型化快充裝置，到電動車、再生能源以及AI資料中心等高能量密度電力系統的理想選擇。然而，單晶GaN晶圓製備極為困難、成本高昂，且尺寸受限。目前主流技術為將GaN成長於矽、碳化矽等不同材質的基板上，能大幅降低生產成本並擴大產能，促進了GaN元件的商業化應用。本文將簡介氮化鎵異質磊晶(Heteroepitaxy)的製程技術、主流基板特性、技術瓶頸，以及未來的發展趨勢。

圖二、Si/SiC MOSFET與GaN HEMT元件結構比較

GaN HEMT元件

GaN HEMT是High Electron Mobility Transistor的縮寫，意即高電子移動率電晶體，是一種革命性的第三代半導體技術。不同於Si MOSFET的垂直結構，GaN HEMT為橫向結構，如圖二所示，當在GaN上生長AlGaN薄膜時，由於介面晶格應變，引發壓電極化效應，高濃度的電子聚集在介面處，稱為二維電子氣(Two-Dimensional Electron Gas; 2DEG)。以2DEG作為導電通道，具有極高的電子遷移率(1,500~2,000 cm/V·s)與極低的導通電阻，使GaN HEMT能夠以兆赫茲(MHz)等級的超高頻率進行開關，能夠滿足市場對於提高功率轉換效率和小型化的需求。廣泛應用於快充充電器、AI伺服器電源和電動車等高功率電子電力系統中；並且在高頻無線通訊領域處於絕對的核心，如5G基站、低軌道衛星通訊、軍用主動電子掃描陣列等，逐步取代舊有的砷化鎵及矽基LDMOS，如圖三所示---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。