绿色科技研究中心
「高功率氮化鎵电晶体之开发及应用计画」介绍
张连璧教授、邱显钦教授、陈乃权教授、蔡明义教授、陈伟伦副教授
本校「绿色科技研究中心」( Green Technology Research Center；GTRC) 成立於 2007 年，设置之目的為因应全球对绿色能源与环保科技之发展趋势，以「太阳能电池」、「照明科技」及「智慧型能源管理」為叁大研究主轴，垂直整合校内之化工、光电、电子、电机、机械学系之专业技术及台塑体系的资源，形成完整的研究鍊，以达到核心元件之自主化及材料高质化，进而提升我国工业基础技术能力与产物精緻度。本中心设有主任一人，研究团队依专业分工，支援中心之重点研究计画。
「高功率氮化鎵电晶体之开发及应用计画」為本中心目前之重点发展计画之一，其总体目标係以硅基板上氮化鎵材料為主的高功率半导体製作技术，垂直整合电力电子转换及控制技术，并辅以热流管理，以达到核心元件及技术自主化及高质化的目的。以氮化鎵為材料之高功率半导体，具有高抗热、高崩溃电压、高电子饱和速度，其中理想的压电效应产生的高电流密度，使得氮化鎵高速场效应电晶体的导通电阻，只有传统硅基板功率电晶体的百分之二，若再利用覆晶技术及抗静电封装，不但可增加散热能力，更适合应用於长期在高温、高静电环境下之高功率电源系统。
本校「绿色科技研究中心」為國內少數具有完整的氮化鎵磊晶成長設備、半導體元件製程及量測設備之學術研究單位。在電晶體製程與量測上，台塑集團所屬之南亞光電與台塑研發中心捐贈本中心一條 GaN 两吋製程量测线，其目的在於提高研发效率与优化製程技术：
1. 氮化鎵磊晶成长设备部分：
本中心磊晶实验室拥有完整的磊晶设备及量测系统，在磊晶设备方面，目前拥有一台 Aixtron 200 型 MOCVD 机台，以及两台日本日酸长压型 MOCVD 机台。过去本中心在此机台上已成功地发展许多氮化物元件，如蓝光 尝贰顿、贬贰惭罢 等。在元件量测方面，本实验室有一整套完整的电性及光性量测系统，在电性量测机台方面分别有 Agilent 4294 為阻抗量测分析仪，可量测元件之电容特性，Keithley 2430 為 I-V 量测系统，可量较大电流达 10A，并含脉衝模式之功能，可分析高功率元件之热效应；Keithley 6485 為微电流计可量微小电流最低达 pA，在光性量测系统方面，有雷射光源為 266nm 及 325nm HeCd 雷射，可激发氮化合物材料的电子-电洞，观测其材料能隙及电子-电洞复合机制以判断材料品质。另外，本中心实验室还备有叁套不同温度范围之变温量测系统，温度范围可从最低温 20K 最高温 500K 左右，可以量测元件在低温至高温下载子迁移等机制。
2. 半导体元件製程与量测设备部分：
本中心除了擁有半導體製程實驗室及無反射實驗室，包含網路分析儀設備、針對磊晶材料與磊晶品質檢測，建置一套高解析度 X 光繞射系統；亦整合電子系『化合物半導體製程實驗室』，目前建置完成有化學氣相沉積系統 ( CBE )、RTA、ALD、濺鍍系統、蒸鍍系統、電子束蒸鍍系統、ICPRIE 蝕刻系統、氧化爐系統、晶粒分割機、黃光室、電鍍槽、清洗室等，已具有完整之黃光製程能量以及金屬薄膜，金屬氧化物薄膜，有機化合物等電子束蒸鍍系統及濺鍍系統。『化合物半導體量測實驗室』建置完成有紅外線 FTIR 系統、表面曲跡儀、變溫霍爾系統、變溫 EL 系統、變溫 IV 系統、變溫 PL 系統、加熱式覆晶機台與高頻量測設備等。本中心歷經多年建設，從磊晶到製程，已經建構一套非常完整的化合物半導體量測及製作技術。電性量測部分技術發展設備方面有一台 50GHz 以及一台 110GHz 網路分析儀 ( Network Analyzer ) 與高功率探針平台 ( >3000V )，微波與靜電隔離室，50MHz~67GHz 頻譜分析儀以及一台 Flip-chip Bonder，為了達到系統封裝與晶片方面製作與微調製程技術，封裝方面微影技術利用深紫外線曝光機製程線寬技術已達 0.5 微米，活性離子蝕刻技術可以在矽基板，或是砷化鎵基板達到 5-10 微米的蝕刻深度，電鍍銅柱覆晶技術已經可以成功電鍍出 50 微米的覆晶柱。
本计画由低成本高散热硅基板磊晶技术开始，在氮化鎵缓衝层与主动层设计与磊晶品质最佳化，配合低压水平式 ( 崩溃电压 >600V，切换速度 >3MHz ) 及高压垂直式 ( 崩溃电压 >1200V，切换速度 >1MHz ) 氮化鎵场效应电晶体开发，已经成功製作出 288V 及 650V 之电压升降压单晶片。封装部分将採覆晶架构，即是将高压元件，或是其他控制与系统调变晶片，以覆晶的方式将晶片覆晶在子基板上，利用电柱或金球连结子基板与晶片的电极，形成一散热的管道，最后搭配抗静电封装技术，除了可降低功率电晶体元件之漏电流与增加系统效率之外，也可因此增加散热能力及提高耐用度，此為台湾工业 MOCVD 磊晶技术的一大突破。该自主化核心元件将与电机系之电力电子电路设计及控制垂直整合，未来将应用於电动车马达驱动转换器、蓄电池充放电转换器及平衡电路，成為主要的高功率电力电子元件。
氮化鎵功率電晶體的導通及截止速度遠高於傳統的 MOSFET，這代表其具有更低的切換損失及熱排，可有效降低散熱系統的能耗。若應用於更高頻切換時 ( >100kHz )，除了可大幅改善馬達驅動用轉換器的電源品質，亦可降低馬達的轉矩脈動產生的噪音。然而，由於電晶體在高頻切換時，容易因為線路寄生電感引起的暫態電壓；因此，本計畫功率電晶體的驅動電路設計上，將採用本團隊既有開發的具柔性切換能力之變流器。另外，功率可逆型升壓轉換器的主要目的是將電動車蓄電池的電壓提升至 600V 以上，用以驅動電動車馬達，並可將馬達煞車時轉子所儲存的動能回充至蓄電池，增加電動車的續航力。而在蓄電池的充放電控制部分，本計畫將採用一套新型的電池殘電量 ( State of Charge；SOC ) 估測技術，可用於檢測局部劣化或充電不足的電池，若再搭配電量平衡技術，將可大幅延長電池的使用壽命。本計畫之主要的研究方向涵蓋了從低成本高散熱矽基板上成長磊晶片、整流蕭基二極體與水平與垂直式高壓元件製程、晶片封裝、靜電與突波保護電路設計，並垂直整合開發到整體高效能電動車用馬達驅動器模組及熱管理等各個重要層次的關鍵研究領域，並兼具了學術研究上的新穎性、相關技術實務應用上的關鍵元件與保護電路開發。
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除了先進的研究設備及技術之外，本計畫主要的成員來自本校光電所、電子系、電機系及機械系，研究成員在本校綠色科技中心的編制下有多年的研究合作經驗，過去幾年在綠能光源上與氮化物太陽能電池研究上的配合具有相當程度之默契。本校向來秉持著創辦人王先生所倡「勤勞樸實」的校訓，除了在教学研究上認真努力，還致力於利用厚生，並循此累積有用的經驗，鍛練智慧及自信。而生活樸實，才能心無旁鶩，專心致意於目標之追求。期望有此志向者，加入我們的團隊，讓我們共同努力，貢獻國家社會。
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