寬能隙半導體的電子設備防護應用研究

光電所 張連璧教授

2003 年的伊拉克戰爭，美軍使用電磁炸彈毀壞伊拉克機場的通訊，當時伊拉克擁有全世界第4的空中武力，竟然沒有飛機可以迎戰美軍的攻擊，說明了電子作戰當中的硬殺手段，也就是所謂高能電磁脈衝攻擊的破壞性。現今社會極度依賴積體電路，半導體元件尺寸已微縮至3奈米以下，電磁脈衝影響國防民生更加深遠。本校工學院近年來投入寬能隙半導體製程開發，除了可應用於發光元件(LED)，更進一步擴展至高頻通訊以及電力電子等快速反應元件。其中化合物半導體氮化鎵(GaN)具有寬能隙、高耐壓及耐高電流等特性，除了應用於交直流電壓轉換，在高頻通訊、無人載具 GPS 定位系統及行控中心大數據資料庫扮演重要的防護守門員角色，可以防止敵人電子戰或是恐怖分子高能電磁脈衝攻擊。國防部 2021 國防先進科技研討會，本校工學院光電所張連璧教授受邀針對「電磁脈衝防護與驗測」發表演講。

2010 年張連璧教授進行氮化鎵高載子遷移率電晶體 (HEMT) 之研究，發現它的閘極有特殊對稱的壓變電容特性，於是在 2011 年成功利用這電壓電容特性申請靜電脈衝防護之台灣及美國專利，早於南卡羅萊納大學 2013 年在期刊上的論文發表。2020 年以後本校工學院藉由多年期科技部計畫配合產學案，將該壓變電容 (MSM Varactor) 進一步完成電磁脈衝防護電路，具有快速反應耐高壓的特性，該項科技已經應用在我國若干陸上移動載具，也在某些船上通訊系統中驗證。當 8 千伏特的突波入侵的時候，能夠壓制到只剩 3~5 百伏特，能量壓制更達 30 dB 以上；符合美軍 MIL STD 188-125 規範的要求，不論是電壓注入 PCI、或是電流注入 PVI，都能夠符合我國相關各項凸波抑制規範。本校工學院除了在照明及太陽能系統上繼續研究，在醫療儀器系統與國防安全上也有具體貢獻；藉著國防先進科技研討會推廣化合物半導體各項磊晶與製程應用，增加本校與台灣電子界共同合作的機會。