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從軍事用途到改善 AI 運算耗能問題,看化合物半導體「氮化鎵」如何推開下世代通訊與應用的大門!

113/06/28 瀏覽次數 832

你聽過「氮化鎵」(GaN)嗎?這個化合物半導體,相比於你我熟知的矽,更耐高壓、高溫、高電流,適合高頻且輕量化的電子產品市場。在 5G/6G 行動通訊、無人機、自駕車、雷達等領域,氮化鎵都相當具有潛力,因此成了近十幾年來各界爭相研究的熱門選項,臺灣當然也不例外。國立陽明交通大學國際半導體產業學院院長張翼,致力研究氮化鎵元件與製程。為讓臺灣在系統方面的整合與技術有所突破,他透過期刊論文找「最強戰友」,展開與德國團隊一個多年的合作緣分⋯⋯

 

化合物半導體「氮化鎵」(GaN)耐高壓、高溫、高電流

化合物半導體「氮化鎵」(GaN)耐高壓、高溫、高電流,適合高頻且輕量化的電子產品市場。圖片來源:bclass/shutterstock.com

 

從期刊論文裡「加好友」,跨國合作超展開之初

張翼院長鑽研半導體材料逾三十年,是臺灣化合物半導體產業的先驅,氮化鎵研究亦為近來的研究重心。早年,他將砷化鎵頻率做到全球最高的 780GHz,而後氮化鎵崛起,成了在矽之後最重要的半導體,遂持續發展該領域的研究。

談及與德國的合作,張翼院長回憶道:「我在期刊論文中發現德國萊布尼茨高頻技術研究團隊(Ferdinand-Braun-Institut, FBH)不僅在高頻 IC(integrated circuit,積體電路)設計方面有深厚基礎,於封裝(packaging)上也有豐富經驗。鑑於當時臺灣在這個領域的人才與資源相對匱乏,我毛遂自薦地寫信給對方,說要去柏林拜訪他們,因為當時剛好要帶博士班學生去德國慕尼黑參加歐洲微波會議(European Microwave Conference),對方也很大方地歡迎我們過去。」封裝是半導體設計與製造中重要的一環;從宏觀角度來看它影響著功耗、效能和成本,微觀來說又牽涉晶片的基本功能。可以將封裝想成是半導體晶片的「容器」,需要考慮的層面包括如何保護晶片、晶片如何連接到電路板上,以及高頻功能、散熱功能怎麼做到等。

這個決定,讓張翼院長開啟了多年的跨國合作之旅。在他看來,臺灣可挾著在半導體元件製程上的優勢,向FBH取道高頻封裝與設計的竅門,為系統整合帶來助益。而他也指出,歐盟內部合作十分緊密,研究計畫多由不同國家的單位共同承擔,這讓臺灣有機會接觸到更廣泛的技術資源。

 

國際半導體學院張翼院長與學生呂宗育,與德國 FBH 的 Hans Joachim Würfl 博士之合影

國際半導體學院張翼院長(右)與曾在德國研究一年,現任職臺積電的學生呂宗育(中),與德國 FBH 的 Hans Joachim Würfl 博士(左)之合影。圖片來源:張翼院長之團隊提供

 

矽與砷化鎵,OUT!這是屬於氮化鎵的時代

許多人對氮化鎵這個重要的第三代半導體 [1] 材料可能不是那麼熟悉。張翼院長解釋,其具有寬能帶間隙(band gap)、高電子遷移率(electron mobility,電子在電場牽引下穿過金屬或半導體的速度)和高崩潰電壓(breakdown voltage,即絕緣體導電前可以施加在材料上的最大電壓)等特性。「我很早就發覺,美國軍方已開始將所有砷化鎵的開發轉移到氮化鎵上,所以就很快地就投入這個領域。」

張翼院長與他的研究團隊,近來利用金屬有機化學氣相沉積法(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD),在矽或碳化矽的基板上生長氮化鎵單晶(此即所謂的磊晶技術〔epitaxy〕)。另外,他們也在氮化鎵材料中引入「量子井」(quantum well)。這個特殊結構兩側高、中間低,兩側與中間部分由不同的半導體組成,具有不同的能帶間隙。由於中間部分傳導的電子能量相對較低,因此可以將電子限制在這個區域,高速傳輸的同時也不會與其他離子相撞,從而提升元件性能。「和以前的矽不同,氮化鎵的表面有很多能階,可自動釋出電子,不需要摻雜物(dopant)。一般來說,半導體一定要摻雜質才有電流,但這個材料卻沒有,本身靠半導體表面懸鍵(dangling bond,即未被滿足的原子價,可以透過共享電子對與外來離子或分子反應)供給電子就有很多電流。」張翼院長向我們細細解釋這項材料的特殊之處。

 

從軍事走入生活,讓訊號傳得更遠、更即時

氮化鎵技術一開始在軍事領域得到重視,主要是由於現代作戰對通訊系統的要求提高,例如:雷達要更小型化、鎖定範圍和解析度要更好,才能提升飛彈性能。得益於氮化鎵的高功率密度(power density,一定空間內可處理的功率量),雷達系統得以縮小體積。憑藉這樣的性能,無人機可以大幅延伸通訊距離,載具體積也跟著縮小,為智慧作戰裝備升級帶來新的可能。

不只軍事,氮化鎵同樣對民用領域有所助益,像是在通訊基礎設施的建設中就扮演關鍵角色。氮化鎵射頻(radio frequency, RF)元件是實現「高速率、大數據量、低延遲通訊」的重要保證。「比如看奧運頻道比賽,要怎麼樣即時把這些影像即時又清晰地傳到體育場的大螢幕,這時氮化鎵就很重要。」張翼院長也提到近年很夯的自駕車:「自駕車需要能快速傳輸很多數據的無線通訊收發系統。汽車不能只靠自身的數據運算,假設一臺自駕車在跑,它需要收集大量周圍數據、快速送到車子裡進行運算,這樣才能很快地知道要轉彎或做出什麼應對;如果數據量不夠大或速度不夠快,車子就可能會相撞,或是該轉彎時來不及轉。」種種案例都顯示,氮化鎵即將走進人們的日常。

 

新一代省電大師,省下一座核電廠的電

除了高頻外,氮化鎵在省電方面也有很大的用途,好比 RF 功率放大器(power amplifier)的應用。所謂RF功率放大器,是一種將低功率RF訊號轉換為高功率訊號的電子設備,其可將微弱的無線電訊號增強到能長距離傳輸的狀態,並確保訊號強勁且不失真(準確來說,除了沒有雜訊,也要保持訊號輸入和輸出的一致性),能讓設備能在很寬的頻率範圍內工作,無線電廣播、行動通訊、雷達系統、醫療器材乃至諸如微波爐這類家電皆能受益於此。

臺灣與 AI 運算公司輝達(NVIDIA)的熱絡互動裡,也需有氮化鎵穿梭其中。張翼院長指出,「AI 與半導體結合後要做很多運算,但因為 AI 非常耗電;沒有用它的時候,它還是會一直算、一直算。如果數據中心(data center)採用氮化鎵這樣的材料,一個數據中心就可以省掉一座核電廠的用電 。」然而張翼院長也提到,這個問題之所以還沒發生,只是因為現階段 AI 數據中心還沒用到那麼多的電。「如果數據中心很多,就會需要政府祭出政策告訴大家:你非這樣(做到省電)不可,否則我不讓你運作,因為耗電太多對整個環境也會造成巨大影響。」

張翼院長再以手機舉例:「現在 iPhone 不附充電器,而且充電器的電流如果效率不夠高也不給充,這對這個氮化鎵是一個很好的機會,會比較省電。」對通訊服務的運營商(operator)來說,採用品質不佳的電晶體及 IC,也可能會因為雜訊過多導致整體運作十分耗電,進而破壞整個系統。「如果這些通訊公司祭出規定:設備要省電、要好的通訊品質、不要雜訊,那麼氮化鎵就有很大的前景。」張翼院長這麼說。

 

預約未來:臺灣在氮化鎵領域如何展露頭角?

接下來,如何讓氮化鎵技術的被產業大規模應用,有關其製程技術的突破就相當關鍵。張翼院長強調,政府如能制定相關產業政策,比方從節能減碳的角度鼓勵採用以氮化鎵為基礎的高效電源,將可望加速產業化進程。

他也重申氮化鎵對通訊系統的重要性:「通訊系統要符合未來應用的需求,如何與元件做結合,就有一些可以計較的面向。這些元件要怎樣才能發出訊號?如何不受干擾?訊號怎麼樣才會比較單純、沒有噪音?如何容納更多的訊號?這些對元件的整體設計和製作都息息相關。」張翼院長指出,若能在這些方面有好的理論基礎,就有機會做得比國外出色。

除此之外,也要進一步鏈結國內外產學研資源,強化從材料、元件到模組、系統等全環節的佈局,從而贏得先機。「在臺灣,半導體就是我們的強項,要把整個產業鏈做起來是可能的。」目前,張翼院長的團隊已與國際多所頂尖大學展開合作,像是與日本名古屋大學合作高頻、高功率的電晶體,或是和美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)協同研發高頻電路設計。

「每個國家的專長都不一樣,而每間學校的資源也都很有限。我們或許可以把某個面向做得很好,但若要講到包含封裝、長晶 IC 設計在內的整個系統,那個成本就很可觀,這時就要與別人合作,把對方已經做好的東西與我們的研究結合。」張翼院長以他的行動實際整合各方優勢資源,加速核心技術的創新突破,也致力提升臺灣在氮化鎵領域的國際影響力。

集輕巧、耐高壓、省電、可高速傳輸數據等優勢於一身,氮化鎵正快速地滲透到我們的生活當中,甚至在下世代通訊中扮演隱藏要角。期待科學家持續在氮化鎵在 RF 、電晶體與電路設計等方面有所突破,從而打造效率更佳、更節能的新科技!

 


[1] 第一代為矽和鍺,第二代為砷化鎵(GaAs)與磷化銦(InP),碳化矽(SiC)和氮化鎵則是第三代。

資料來源
  1. 採訪國立陽明交通大學國際半導體產業學院院長張翼
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