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高功率元件新革命-氮化鎵奈米製程技術

102/07/24 10628

黃承揚｜英商牛津儀器

2012到2013年對高功率發光二極體(HB LED)而言是供過於求的狀態，多家LED生產大廠處於設備利用率偏低；2013年4月底，普瑞光電(Bridgelux)與東芝(Toshiba)的技術合作告一段落後，LED的市場就處於冰河時期了。但危機正是契機，多家藍光LED製造商引入奈米製程技術：小於15nm薄層的蝕刻控制(nano-etching)，與20nm原子級沉積製程(Atomic layer deposition,ALD)；進而轉型生產氮化鎵高功率元件。目前氮化鎵功率元件已陸續出現在市面，預估2013~2015年量產規模將可進一步擴大，帶動市場迅速起飛。

有人會問什麼是高功率元件？簡單的說：「操作於大電流與大電壓下的電路元件，就是高功率元件。例如：火力發電廠要將電傳給每1戶，須經由電塔與變電箱做分流時所用到的電路元件；高鐵需要高電壓與電流才能行駛，此時電力傳輸系統所用到的電路元件；另外，風力發電與太陽能發電時，轉換能量儲存於電池時的控制電路元件等，這些都是高功率元件之應用。然而，在高電流操作下，易產生高熱進而破壞元件之效能，此時有極佳耐熱效果的氮化鎵做成高功率元件，正是這些應用的最佳舞台。

近十幾年科學家均專注氮化鎵於高功率發光二極體的應用，而忽略了氮化鎵本身是寬能隙(wide band gap,WBG)材料，具有高速電子傳導的優越特性，同時熱傳導優於矽(Si)材料。幸好景氣輪轉，把商機推到高功率元件市場，才讓氮化鎵耐高電壓的工作特性得以嶄露頭角。

目前用矽材料製作的功率元件已接近物理極限，若要推往更高功率操作時(大於300V)，會碰到轉換效率不佳，並須搭配龐大冷卻系統來散熱等問題。此時氮化鎵高功率元件具有殺手級的優點，將推動未來300V以上的應用市場，取代矽功率元件。寬能隙氮化鎵產品優勢如下：

1.寬能隙的物理特性，功率耗損很低，對於高鐵電路系統與電力傳輸系統的應用，更能節能減碳。

2.可縮小封裝後體積，降低成本。

3.耐熱效果佳，無須溫度監控與散熱配備，仍可讓元件效能率維持在85%。

4.氮化鎵高溫與高濕耐受度好，元件可應用到太陽能電池、車用引擎室電路控制等等惡劣環境。

氮化鎵高功率元件的簡單工作原理為：讓電子藉源極(Source)、柵極(Gate)，與集極(Drain)之間，在表面約20~30nm的氮化鋁鎵(A1GaN)薄層內活動，使形成電晶體的工作方式。此時一定要使用奈米製程技術才能製造此一元件，引入的奈米製程技術包括：

1. 小於15nm薄層的蝕刻控制
2. 20nm原子級氧化鋁(Al2O3)沉積製程

引入奈米製程技術，讓氮化鎵LED原本低迷的市場，注入新的商機，也讓原本接近瓶頸的矽高功率元件找到嶄新的解決方案。故氮化鎵高功率元件對於太陽能模組、車用控制元件、高鐵系統的電力傳輸設備提出革命性的應用。（本文由國科會補助｢新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通｣執行團隊撰稿）

責任編輯：楊谷洋｜國立交通大學電機工程學系暨科技與社會中心智庫研究團隊

高功率元件新革命-氮化鎵奈米製程技術

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