氮化鎵（GaN）是什麼？GaN充電器為何能做得這麼小

生活中的例子：從充電器到基地台

在3C賣場，標示「採用GaN」的充電器越來越常見。以日本為例，較早的例子是2019年2月，Anker的日本公司在日本推出了使用GaN的30瓦USB充電器。

許多USB-C充電器都遵循USB PD（USB 供電）這項規格。這是充電器和手機、電腦互相通訊，決定要送出多少電壓和電流的機制。2021年5月的修訂，把上限從100瓦提高到240瓦（USB-IF）。要在小小的盒子裡處理大電力，GaN就派上了用場。

除了充電器，GaN也在下面這些地方工作。

• 藍光和白光LED：GaN是藍光LED的材料。發明它的赤﨑勇、天野浩、中村修二三人，獲得了2014年的諾貝爾物理學獎（「LED為什麼會發光？」）
• 手機基地台：用在把電波加強後送出去的放大器。三菱電機在2024年6月，開始提供5G基地台用GaN放大器零件的樣品
• 資料中心：用在把電分配給伺服器的電源。英飛凌（Infineon）在2024年5月，發表了結合矽、SiC、GaN的AI用大型電源計畫
• 電動車：用在從家用插座替電池充電的「車載充電器」，目前還在開發階段（2026年時）

GaN是什麼樣的材料？

GaN是鎵（Ga）和氮（N）規則排列而成的結晶。半導體是容易在導電和不導電之間切換的材料（「半導體是什麼？」）。

決定材料性格的重要數字，是能隙。它是電子要開始自由移動時，必須跨越的「台階」高度。單位是eV（電子伏特），矽是1.12 eV，GaN約3.4 eV。也就是說，GaN的台階大約是矽的3倍。

台階比矽大的材料，稱為寬能隙半導體。除了GaN，SiC（碳化矽）也是其中一員。本文主要介紹作為電力開關零件的GaN。

原理①：耐得住強大的電場，所以晶片能做小

加上電壓後，材料裡會產生推動電子的力量，稱為電場。電場太強時，衝得很快的電子會撞上原子，撞出新的電子。這種現象像雪崩一樣增加，電流就停不下來了。台階大的材料，要撞出電子需要很大的能量。所以這種現象不容易發生（這裡做了簡化）。

電場的強度，是電壓除以承受它的那一層的厚度。能承受的上限，以每1公分厚度來算，矽約30萬伏特，GaN約330萬伏特（東芝的物性數值表）。GaN大約是矽的10倍。能承受的電場是10倍，同樣的電壓只要約10分之1的厚度就能擋住。在電流橫向流動的GaN電晶體（下一節）中，這個「厚度」相當於電極和電極之間的距離。

層越薄，電流要走的路也越短。結果，導通時殘留的電阻（導通電阻）就能變小。如果電阻維持一樣就好，晶片的面積就能縮小。

晶片小，也和切換的速度有關。電晶體每次開關，都要在內部存入或放出一點電。晶片越小，這個量就越少。所以GaN電晶體能快速切換。

原理②：在交界處形成的「電子通道」

GaN的另一個強項，在於電子通道的做法。在GaN上面，疊一層混入鋁的薄層（AlGaN）。這樣一來，在兩層交界的正下方，電子會像一層薄膜般聚集。這層電子薄膜，稱為二維電子氣（2DEG）。

GaN和AlGaN的結晶，因為原子的排列方式，內部本來就帶有正負電的偏差。兩層的偏差大小不同，所以交界處會留下正電。電子就是被這些正電吸過去的（這裡做了相當程度的簡化）。聚集的電子，每1平方公分約有數兆到20兆個（Ambacher等人1999年的論文）。

矽要增加電子時，通常會混入少量其他元素。混進去的原子，也會成為電子奔跑時的障礙物。2DEG不需要為了增加電子而混入雜質就能聚集，所以電子能撞上的東西比較少。電子容易移動的程度（遷移率），室溫下約1,500～2,000 cm²/(V·s)。它的強項是，即使聚集了很多電子，也能跑得和雜質少的矽中電子（約1,400）差不多快。

使用這種通道的電晶體，稱為高電子遷移率電晶體（HEMT）。上方並排的電極中，在中間的閘極加上電壓，就能讓正下方的電子薄膜消失或恢復。電流沿著晶片表面橫向流動，不像許多功率半導體那樣縱向流動。

想出HEMT的人，是富士通研究所的三村高志。1979年，他用的不是GaN，而是砷化鎵（GaAs）這種材料。HEMT普及到衛星電視的接收器等產品，2019年12月獲頒IEEE（電機電子工程師學會）里程碑的紀念牌。GaN的HEMT，則由住友電工集團在2000年代中期，開始量產基地台用的產品。

原理③：為什麼快速切換，充電器就能變小

充電器會先把插座的交流電轉成直流電，再把它細細地開關，送進變壓器。變壓器是用兩組線圈升降電壓的零件（「交流電和直流電有什麼不同？」）。最後，再用能存電、慢慢放電的電容器，整理成平滑的直流電（「電容器是什麼？」）。

變壓器和電容器的角色，是在每一次開關之間，暫時保管電的能量。如果每秒送出的電量相同，切換次數變成10倍，每次要保管的量就只要10分之1。要保管的量越少，零件就能做得越小。

這時就輪到GaN登場了。每次切換時，都有一部分的電變成熱而損失。這稱為切換損耗，次數越多，總量就越大。矽電晶體如果切換次數太多，熱會增加，效率就會下降。

GaN電晶體每次的損耗小，所以就算增加次數，熱也不容易增加。大致來說，矽的設計多半是每秒數萬到10萬次左右（數十～100 kHz）。GaN也有以每秒數十萬次到100萬次（1 MHz）左右運作的設計。

損耗小，熱就少，用來散熱的金屬板（散熱片）也能做小。充電器能變小，靠的是快速切換和熱少這兩點。

GaN、SiC、矽的分工

大致比較一下功率半導體的3種主要材料。

SiC容易散熱，適合高電壓和大電力。GaN適合在數百伏特以下、能發揮快速切換優勢的場合。矽便宜又能大量生產，在不太需要速度的場合，至今仍最經濟。詳細內容整理在「SiC與GaN的差異」「Si與SiC的差異」的表格中。

基地台用的也是同樣的HEMT。不過在這裡，它不是用來開關電，而是當作加強電波訊號的放大器。它耐得住高電壓，又能讓大量電子快速移動，所以小小的晶片就能送出很強的電波。三菱電機2024年的零件，用在每秒振動33億～38億次的電波（3.3～3.8 GHz），平均輸出16瓦（「5G是什麼？」）。

電動車中，驅動馬達的逆變器（把直流電轉成交流電的裝置），主要使用SiC或矽。GaN則剛開始在家中替電池充電的車載充電器等用途上研究和採用。歐洲的研究計畫「HiPower 5.0」，目標是用GaN把22千瓦的車載充電器縮小到4公升。這是市場平均12公升的3分之1（Fraunhofer IZM，2026年4月）。

GaN的困難之處

很難做出大片的GaN基板

矽可以從熔化的液體中拉出大塊結晶，做成直徑300 mm的圓板（晶圓）。GaN在一般壓力下加熱，還沒熔化，氮就先跑掉了。所以無法用同樣的方法做出大塊結晶。多數情況下，是在矽等其他材料的基板上，長出GaN薄膜來使用。

在不同材料上長出結晶，稱為異質磊晶。矽和GaN的原子排列間距不同，這稱為晶格不匹配。冷卻時收縮的程度也不同，直接長的話，結晶會出現缺陷，基板也可能破裂或翹曲。所以會在中間夾入好幾層「緩衝層」，來緩和這個問題。

矽基板的優點是便宜、尺寸大，還能使用矽工廠的設備。英飛凌在2024年9月，發表了在直徑300 mm矽晶圓上長出GaN的技術。和200 mm晶圓相比，每片能取得的晶片數是2.3倍。順帶一提，LED主要使用藍寶石基板。

什麼都不做，就是「導通」狀態

2DEG就算閘極沒有加電壓，也從一開始就存在。也就是說，基本型的HEMT是什麼都不做就會有電流流過的「常開型」。在電源電路中，這很危險。因為控制電路停止時，開關可能維持導通，讓大電流一直流下去。

因此，會用各種方法把它做成不加電壓時就關閉的常關型。代表性的做法，是在閘極下方加入「p型」的GaN層。p型是電洞（電子離開後留下的空位）較多的類型，可以事先消除下方的電子薄膜。這種方式下，閘極能承受的電壓範圍很窄，對閘極加電壓的電路（閘極驅動器）要特別注意。另一種方法，是串聯一顆低電壓用的矽電晶體，讓整個組合成為常關型。

長期使用的可靠度與價格

GaN功率半導體的歷史還短，長期使用時行為的檢驗方法也還在建立中。例如加上高電壓後，電子可能被結晶缺陷抓住，讓電阻暫時上升。制定半導體標準的組織JEDEC，在2017年成立了委員會（JC-70）。目的是制定寬能隙半導體的測試方法等。

價格也是課題。以單顆零件比較，矽電晶體至今通常仍比較便宜。不過，變壓器和散熱片變小了，以整個產品來看有時反而划算。業界變化也很快，併購接連發生。2023年10月英飛凌買下GaN Systems，2024年6月瑞薩（Renesas）買下Transphorm。另一方面，晶圓代工大廠台積電（TSMC），被報導將在2027年7月底前停止GaN的代工生產（2025年7月。「晶圓代工是什麼？」）。

常見的誤解

從數字來看

MV/cm是「每1公分厚度能承受幾百萬伏特」。遷移率的單位cm²/(V·s)，表示「在1公分上加1伏特電壓時，電子1秒前進幾公分」。

進一步學習

• 用表格看差異：SiC與GaN的差異、直接能隙與間接能隙的差異（GaN會發光的原因）
• 下一步的名詞：GaN（氮化鎵）（詳細說明）、HEMT（高電子遷移率電晶體）、二維電子氣（2DEG）、常關型、柔性切換
• 用數字試試看：DC-DC轉換器計算工具（「開」的時間比例和輸出電壓）
• 相關文章：「功率半導體是什麼？」「LED為什麼會發光？」「矽晶圓是什麼？」