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，台灣當然也不例外。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。為讓台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⋯⋯
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30年，是台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。鑑於當時台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，台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，這讓台灣有機會接觸到更廣泛的技術資源。
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，假設一台自駕車在跑，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。
台灣與 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：台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。「在台灣，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，也致力提升台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！
註釋
[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。
