氮化鎵(GaN)有什麼厲害的？
市面上有著越來越多氮化鎵的電子產品，銷售人員也常有自信的說：「我們的產品是氮化鎵製作的！」但是你真的知道氮化鎵是什麼嗎？氮化鎵比起傳統半導體材料「矽」有著大的能隙與更高的電子遷移率，因此能承受更高的電壓，還能進行高頻率的切換，因此，氮化鎵充電器可以擁有更高速度的充電效率，還能讓設備更加輕便，讓我們來認識氮化鎵的物理特性以及製作過程吧！
撰文｜黃鼎鈞
矽（Si），被譽為「半導體之母」，因其豐富的含量、良好的熱穩定性以及天然的二氧化矽覆蓋層，長期以來在半導體領域中佔據主導地位（更多關於Si的內容請參考《一「矽」之間，半導體代言人走下神壇》）。然而，隨著科技的飛速發展，現代電子元件對於高效能、高頻率、小體積的需求不斷增加，矽基元件的侷限性越來越難以應對這些新需求，氮化鎵 (GaN) 作為新興的半導體材料，正逐漸挑戰矽在這一領域中的地位，市面上有越來越多的電源供應器以GaN為賣點，那麼GaN到底有哪些優勢，讓它備受青睞呢？
GaN vs Si：能隙的優勢
GaN與Si最大的區別在於它們的能隙大小，能隙可以比作電子移動的「能量門檻」：電子需要具備足夠的能量才能通過這個門檻，進而在材料中導電。矽的能隙為1.1電子伏特（eV），而GaN的能隙達到3.4 eV，屬於寬能隙材料，因此，GaN能夠承受更高的電壓而不會發生擊穿（即電子失控地通過材料），並且能夠在高溫環境中穩定運行，材料不容易因為環境溫度變高而漏電，這使GaN適合應用於電壓高或工作溫度高的設備，如電源轉換器和電動車充電器，此外，GaN的電子遷移率是矽的五倍，這讓GaN元件能更快速地傳輸電子並進行開關操作，尤其適用於需要高頻率操作的環境，如5G通訊基站。
GaN在日常生活中的應用
為什麼GaN的電源供應器如此受歡迎？首先，GaN的寬能隙允許其承受更大的輸入電壓，從而實現更快的充電速度，就像使用高壓水槍能更快速地填滿水桶一樣，GaN可以迅速將能量傳輸至設備，其次，GaN擁有較低的導通電阻，這意味著當電流通過元件時，產生的能量損耗更少，直接提升了整體充電效率，第三，GaN具有更快的開關速度，可以更高效地完成電力轉換，減少能量浪費並縮短充電時間，這些特性使得GaN充電器在提供強大的功率輸出的同時，又能使元件變得更輕巧容易攜帶，同時GaN的高溫穩定性也避免了充電器過熱失效，進一步強化了產品的耐用性，除了行動充電器，GaN技術促進了電動汽車的發展，電動車的電源轉換系統要求高效能和高功率密度，而GaN憑藉其高效的功率轉換能力，加上其耐熱的特性，成為車載充電器的理想選擇。
GaN的挑戰與瓶頸
儘管GaN在許多方面超越了矽，但它也並非沒有缺點，首先，雖然GaN在高溫下具有良好的熱穩定性，但其熱導率卻低於矽，這在高頻運行時容易導致元件過熱，影響其性能，其次，在晶體生長過程中，GaN較容易產生缺陷，這些缺陷會捕捉到電子或電洞，就像人在走在泥濘不平的道路上一樣，電子在運行時可能會「掉進陷阱」，導致導電性下降，進而影響元件的效率，這也使得製造高品質的GaN材料成本較高，阻礙了其大規模商業化的進程。
GaN如何製作？氫化物氣相外延法與氨熱法
目前主要有兩種製程技術：氫化物氣相外延法（HVPE）和氨熱法（Ammonothermal），HVPE利用氫氣作為載氣，將氯化氫（HCl）與鎵（Ga）反應生成高揮發性的氯化鎵（GaCl），然後與氨（NH₃）反應，生成GaN晶體。整個過程在高溫（約1000°C）下進行，雖然HVPE能夠快速生長大量的GaN，但容易產生裂縫和晶格缺陷，無法生成高品質的晶體材料；氨熱法則利用超臨界氨作為溶劑，超臨界氨是一種在高壓高溫條件下既具有液體的溶解能力，也具備氣體的擴散性，透過氨溶解鎵並逐步沉積GaN晶體，氨熱法能夠在較低的溫度下進行，節省能源並降低成本，與HVPE相比，氨熱法生成的GaN缺陷密度較低，但其生長速度較慢，且工藝相對複雜，因此更適合用於高品質的應用需求。
結 語
GaN以其優異的能隙特性和高電子遷移率，在高效能電力轉換應用中展現出巨大的潛力，無論是在行動充電器還是電動車充電系統中，GaN都提供了更高的充電速度、更小的體積以及更強的耐用性，隨著技術的進步，GaN的製造工藝將會逐漸成熟，成本也將進一步下降，這將推動GaN在更多電子產品中的應用。
參考文獻
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