你听过「氮化镓」（GaN）吗？这个化合物半导体，相比于你我熟知的矽，更耐高压、高温、高电流，适合高频且轻量化的电子产品市场。在 5G／6G 行动通讯、无人机、自驾车、雷达等领域，氮化镓都相当具有潜力，因此成了近十几年来各界争相研究的热门选项，台湾当然也不例外。国立阳明交通大学国际半导体产业学院院长张翼，致力研究氮化镓元件与制程。为让台湾在系统方面的整合与技术有所突破，他透过期刊论文找「最强战友」，展开与德国团队一个多年的合作缘分⋯⋯
从期刊论文里「加好友」，跨国合作超展开之初
张翼院长钻研半导体材料逾30年，是台湾化合物半导体产业的先驱，氮化镓研究亦为近来的研究重心。早年，他将砷化镓频率做到全球最高的 780GHz，而后氮化镓崛起，成了在矽之后最重要的半导体，遂持续发展该领域的研究。
谈及与德国的合作，张翼院长回忆道：「我在期刊论文中发现德国莱布尼茨高频技术研究团队（Ferdinand-Braun-Institut, FBH）不仅在高频 IC（integrated circuit，积体电路）设计方面有深厚基础，于封装（packaging）上也有丰富经验。鉴于当时台湾在这个领域的人才与资源相对匮乏，我毛遂自荐地写信给对方，说要去柏林拜访他们，因为当时刚好要带博士班学生去德国慕尼黑参加欧洲微波会议（European Microwave Conference），对方也很大方地欢迎我们过去。」封装是半导体设计与制造中重要的一环；从宏观角度来看它影响着功耗、效能和成本，微观来说又牵涉晶片的基本功能。可以将封装想成是半导体晶片的「容器」，需要考虑的层面包括如何保护晶片、晶片如何连接到电路板上，以及高频功能、散热功能怎么做到等。
这个决定，让张翼院长开启了多年的跨国合作之旅。在他看来，台湾可挟着在半导体元件制程上的优势，向FBH取道高频封装与设计的窍门，为系统整合带来助益。而他也指出，欧盟内部合作十分紧密，研究计画多由不同国家的单位共同承担，这让台湾有机会接触到更广泛的技术资源。
矽与砷化镓，OUT！这是属于氮化镓的时代
许多人对氮化镓这个重要的第三代半导体[1]材料可能不是那么熟悉。张翼院长解释，其具有宽能带间隙（band gap）、高电子迁移率（electron mobility，电子在电场牵引下穿过金属或半导体的速度）和高崩溃电压（breakdown voltage，即绝缘体导电前可以施加在材料上的最大电压）等特性。 「我很早就发觉，美国军方已开始将所有砷化镓的开发转移到氮化镓上，所以就很快地就投入这个领域。」
张翼院长与他的研究团队，近来利用金属有机化学气相沉积法（metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD），在矽或碳化矽的基板上生长氮化镓单晶（此即所谓的磊晶技术〔epitaxy〕）。另外，他们也在氮化镓材料中引入「量子井」（quantum well）。这个特殊结构两侧高、中间低，两侧与中间部分由不同的半导体组成，具有不同的能带间隙。由于中间部分传导的电子能量相对较低，因此可以将电子限制在这个区域，高速传输的同时也不会与其他离子相撞，从而提升元件性能。 「和以前的矽不同，氮化镓的表面有很多能阶，可自动释出电子，不需要掺杂物（dopant）。一般来说，半导体一定要掺杂质才有电流，但这个材料却没有，本身靠半导体表面悬键（dangling bond，即未被满足的原子价，可以透过共享电子对与外来离子或分子反应）供给电子就有很多电流。」张翼院长向我们细细解释这项材料的特殊之处。
从军事走入生活，让讯号传得更远、更即时
氮化镓技术一开始在军事领域得到重视，主要是由于现代作战对通讯系统的要求提高，例如：雷达要更小型化、锁定范围和解析度要更好，才能提升飞弹性能。得益于氮化镓的高功率密度（power density，一定空间内可处理的功率量），雷达系统得以缩小体积。凭借这样的性能，无人机可以大幅延伸通讯距离，载具体积也跟着缩小，为智慧作战装备升级带来新的可能。
不只军事，氮化镓同样对民用领域有所助益，像是在通讯基础设施的建设中就扮演关键角色。氮化镓射频（radio frequency, RF）元件是实现「高速率、大数据量、低延迟通讯」的重要保证。 「比如看奥运频道比赛，要怎么样即时把这些影像即时又清晰地传到体育场的大萤幕，这时氮化镓就很重要。」张翼院长也提到近年很夯的自驾车：「自驾车需要能快速传输很多数据的无线通讯收发系统。汽车不能只靠自身的数据运算，假设一台自驾车在跑，它需要收集大量周围数据、快速送到车子里进行运算，这样才能很快地知道要转弯或做出什么应对；如果数据量不够大或速度不够快，车子就可能会相撞，或是该转弯时来不及转。」种种案例都显示，氮化镓即将走进人们的日常。
新一代省电大师，省下一座核电厂的电
除了高频外，氮化镓在省电方面也有很大的用途，好比 RF 功率放大器（power amplifier）的应用。所谓RF功率放大器，是一种将低功率RF讯号转换为高功率讯号的电子设备，其可将微弱的无线电讯号增强到能长距离传输的状态，并确保讯号强劲且不失真（准确来说，除了没有杂讯，也要保持讯号输入和输出的一致性），能让设备能在很宽的频率范围内工作，无线电广播、行动通讯、雷达系统、医疗器材乃至诸如微波炉这类家电皆能受益于此。
台湾与 AI 运算公司辉达（NVIDIA）的热络互动里，也需有氮化镓穿梭其中。张翼院长指出，「AI 与半导体结合后要做很多运算，但因为 AI 非常耗电；没有用它的时候，它还是会一直算、一直算。如果数据中心（data center）采用氮化镓这样的材料，一个数据中心就可以省掉一座核电厂的用电 。」然而张翼院长也提到，这个问题之所以还没发生，只是因为现阶段 AI 数据中心还没用到那么多的电。 「如果数据中心很多，就会需要政府祭出政策告诉大家：你非这样（做到省电）不可，否则我不让你运作，因为耗电太多对整个环境也会造成巨大影响。」
张翼院长再以手机举例：「现在 iPhone 不附充电器，而且充电器的电流如果效率不够高也不给充，这对这个氮化镓是一个很好的机会，会比较省电。」对通讯服务的运营商（operator）来说，采用品质不佳的电晶体及 IC，也可能会因为杂讯过多导致整体运作十分耗电，进而破坏整个系统。 「如果这些通讯公司祭出规定：设备要省电、要好的通讯品质、不要杂讯，那么氮化镓就有很大的前景。」张翼院长这么说。
预约未来：台湾在氮化镓领域如何展露头角？
接下来，如何让氮化镓技术的被产业大规模应用，有关其制程技术的突破就相当关键。张翼院长强调，政府如能制定相关产业政策，比方从节能减碳的角度鼓励采用以氮化镓为基础的高效电源，将可望加速产业化进程。
他也重申氮化镓对通讯系统的重要性：「通讯系统要符合未来应用的需求，如何与元件做结合，就有一些可以计较的面向。这些元件要怎样才能发出讯号？如何不受干扰？讯号怎么样才会比较单纯、没有噪音？如何容纳更多的讯号？这些对元件的整体设计和制作都息息相关。」张翼院长指出，若能在这些方面有好的理论基础，就有机会做得比国外出色。
除此之外，也要进一步链结国内外产学研资源，强化从材料、元件到模组、系统等全环节的布局，从而赢得先机。 「在台湾，半导体就是我们的强项，要把整个产业链做起来是可能的。」目前，张翼院长的团队已与国际多所顶尖大学展开合作，像是与日本名古屋大学合作高频、高功率的电晶体，或是和美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）协同研发高频电路设计。
「每个国家的专长都不一样，而每间学校的资源也都很有限。我们或许可以把某个面向做得很好，但若要讲到包含封装、长晶 IC 设计在内的整个系统，那个成本就很可观，这时就要与别人合作，把对方已经做好的东西与我们的研究结合。」张翼院长以他的行动实际整合各方优势资源，加速核心技术的创新突破，也致力提升台湾在氮化镓领域的国际影响力。
集轻巧、耐高压、省电、可高速传输数据等优势于一身，氮化镓正快速地渗透到我们的生活当中，甚至在下世代通讯中扮演隐藏要角。期待科学家持续在氮化镓在 RF 、电晶体与电路设计等方面有所突破，从而打造效率更佳、更节能的新科技！
注释
[1] 第一代为矽和锗，第二代为砷化镓（GaAs）与磷化铟（InP），碳化矽（SiC）和氮化镓则是第三代。
文章来源: 采访国立阳明交通大学国际半导体产业学院院长张翼
※ 本文转载自《科技大观园》，原文标题〈从军事用途到改善 AI 运算耗能问题，看化合物半导体「氮化镓」如何推开下世代通讯与应用的大门！ 〉
资料来源：环境资讯中心
