目前氮化鎵主要仍用於商用領域，但未來軍事系統的運用將大幅提升。圖為雷神愛國者飛彈。 圖／Raytheon
愛國者飛彈屹立不搖的關鍵：
氮化鎵如何主導雷達與飛彈發展？
最近因為美中貿易戰愈打愈烈，中國打算限制高科技產業的上游關鍵材料稀土出口，使得稀土成為國際政治的熱門關鍵字。在高科技產業上游的半導體材料方面，由於5G、寬頻、綠能產品的興起，使得新一代的半導體材料漸受矚目。
從智慧燈泡、手機快速充電器到雷射，這些新的科技產品，都開始採用新一代化合物半導體。在一般常見的半導體中，第一代半導體材料為矽、第二代半導體為砷化鎵等，第三代半導體則包括碳化矽（SiC）及氮化鎵（GaN），其中第三代的氮化鎵，可能在未來逐步取代矽，成為新的半導體材料。
與前代相比，第三代半導體尺寸小、高功率，散熱快，低雜訊、低耗電，在5G、需要充電系統的環境——如快速充電器、電動車充電座等——應用很廣，其技術也已可商業化。
全球晶圓廠矚目
其中，氮化鎵最受矚目，它是氮和鎵的化合物，1990年開始便常被用在發光二極體中。它的能隙很寬，導通電阻遠小於矽基材料，傳導電子的效率更高於矽元件，並承受更高電場，而且更耐高熱，不但可以縮小產品——如充電器——的體積，耗電量也更小，能源效率更高。
氮化鎵在科技及軍事領域的應用很廣，其對游離輻射敏感度低，在輻射環境中具高穩定性，適合用於衛星的太陽能電池、手機、家電及各種電動車等系統的充電裝置等。而碳化矽較氮化鎵更耐高溫，較適合更嚴苛的工作環境，可用於不斷電系統、電源供應器等產品。
在5G、綠能時代，電子設備能源效率特別重要，氮化鎵、碳化矽等化合物半導體成為提升效率的重要角色。這兩者製程門檻極高、良率仍低，因此代工價格相當高，但應用普及化後，成本可望降低，有利終端產品採用第三代半導體，目前生產已逐漸成熟，產品也日漸增加。
其中，日本是第一個發展氮化鎵的國家，在1980年代即已投入氮化銦鎵（InGaN）技術，應用在藍光LED上。日本政府也全力支持，使其企業享有半導體的競爭優勢。目前台灣各大電子產業均看好碳化矽及氮化鎵商機，國內已有多家廠商大舉投資製程開發，並準備投產，從檢測、蝕刻、封裝已逐漸到位。
半導體龍頭台積電已傳出採購氮化鎵設備，擴大投資氮化鎵製程，其他如漢磊、環球晶、嘉晶等晶圓代工廠，皆已具氮化鎵的量產能力，積極投入氮化鎵領域，力拚維持晶圓代工的優勢地位。
目前台灣各大電子產業均看好碳化矽及氮化鎵商機，國內已有多家廠商大舉投資製程開發，並準備投產，從檢測、蝕刻、封裝已逐漸到位。示意圖。 圖／歐新社
氮化鎵在軍事上的運用
氮化鎵其實早就運用在軍事上，用於提高各種雷達、電戰系統的效率。雷神飛彈防禦公司（Raytheon）更是其中率先採用的國際大公司之一，其神盾系統的新一代SPY-6相位陣列雷達，在2010年時即已率先採用先進的氮化鎵技術；科沃公司（Qorvo）生產的氮化鎵元件QGaN15，在30吉赫（GHz）的高頻率下仍運作良好，低頻的QGaN50在低頻運作下穩定性極高，無故障間隔達100萬小時。氮化鎵可在更高溫度下運行，可高達攝氏200度，對冷卻系統要求相對較低。
目前氮化鎵主要仍用於商用領域，但未來軍事系統的運用將大幅提升。早期主動電子掃描／相位陣列雷達體積均相當龐大，成本極高，但現已普遍運用在戰機上，如諾斯洛普格魯曼公司（Northrop Grumman）在F-22上的AN/APG-77雷達、F-35的APG-81雷達，仍採用砷化鎵元件，其物理特性已達到極限。
但相位陣列雷達若改用氮化鎵元件，其功率放大器體積更小，功率更大，較小的孔徑便能增加偵測距離及範圍，甚至可用於小型雷達上，或是其他無線電、機載及艦載雷達。氮化鎵在新一代雷達技術的運用上，被大為看好。
美國目前如雷神等電子系統大廠，都開始將氮化鎵元件應用在相位陣列雷達上；日本自行發展的FCS-3A主動電子掃描雷達，在2012年即採用氮化鎵元件，取代舊型的砷化鎵元件，成為世界上第一種服役的氮化鎵雷達。歐洲的台利斯公司（Thales）所發展的多任務3D空中及平面蒐索雷達，採用氮化鎵技術，號稱比美國的SPY-1功能更強大，對小型及慢速飛行的低空目標——例如無人機——有更佳的辨識率。未來採用氮化鎵元件的雷達，甚至可用以偵測雷達反射截面積（RCS）值極低的匿蹤戰機。
這項技術甚至連台灣也在發展中，例如發跡於交通大學的新創產業「創未來科技公司」（Tron Future），也運用氮化鎵元件發展主動相位陣列雷達，這可以使台灣躋身先進雷達製造的行列，並用以研發各種型式的機載、艦用及地面蒐索雷達，同時用以改進天弓或雄風系列等國產飛彈的性能。
軍事上來說，由於雷達或感測系統需要體積小、重量輕、盡量減少能源的消耗，但仍需維持極佳的性能，包括更遠的偵測距離、更靈敏、更大的功率、更強的抗干擾能力等等，因此氮化鎵便成為新一代電子系統最佳的元件，可以用在主動電子掃描雷達、電子戰系統、各種導引莢艙。
雷神公司採用的氮化鎵以及積體電路技術，用於新型愛國者飛彈的電子掃描陣列雷達，能在相同的體積下發射更強的雷達信號以及更高的接收靈敏度。 圖／Raytheon
雷神公司已經開發多種運用氮化鎵的技術，包括用在愛國者系統的新型主動電子掃描雷達，使用氮化鎵積體電路，可發射訊號更強，並具更高靈敏度的雷達。 圖／Raytheon
由於5G、寬頻、綠能產品的興起，使得新一代的半導體材料漸受矚目。示意圖。 圖／路透社
留言列表
