ST和Exagan攜手開(kāi)啟GaN發(fā)展新章節

氮化鎵（GaN）是一種III／V族寬能隙化合物半導體材料，能隙為3.4eV，電子遷移率為1,700 cm2/Vs，而硅的能隙和電子遷移率則分別為1.1 eV和1,400cm2/Vs。因此，GaN的固有特性，讓組件具有更高的擊穿電壓和更低的通態(tài)電阻，亦即相較于同尺寸的硅基組件，GaN可處理更大的負載、效能更高，而且物料清單成本更低。
在過(guò)去的十多年里，產(chǎn)業(yè)專(zhuān)家和分析人士一直在預測，GaN功率開(kāi)關(guān)組件的黃金時(shí)期即將到來(lái)。相較于應用廣泛的MOSFET硅功率組件，GaN功率組件具備更高的效率和更強的功耗處理能力，這些優(yōu)勢正是當下高功耗、高密度系統、巨量數據服務(wù)器和計算機所需要的。

選用困境
 

圖一 : GaN功率組件具備高效率和強大功耗處理能力的優(yōu)勢。

一方面隨著(zhù)GaN組件人氣逐漸提升，而且頻繁地出現在日常用品當中，諸如手機充電器等終端產(chǎn)品的用戶(hù)都開(kāi)始探索并了解GaN，開(kāi)箱、拆解影片在社群軟件中持續曝光，而許多科技媒體更是不遺余力地介紹GaN產(chǎn)品各項優(yōu)勢。
但另一方面，GaN組件的特性也意味著(zhù)在使用它時(shí)，開(kāi)發(fā)人員需要有更縝密的設計，例如閘極驅動(dòng)，電壓和電流轉換速率，電流等級，噪聲源和耦合規劃等對于導通和關(guān)斷所帶來(lái)的影響。因此，某些工業(yè)產(chǎn)品制造商仍會(huì )因擔心潛在PCB重新設計或采購問(wèn)題而避免使用GaN。

把握先機的重要性
在了解到GaN的發(fā)展潛力后，ST開(kāi)始強化在此復合材料上的投入和生態(tài)系統的研發(fā)。
2020年3月，意法半導體(ST)收購了Exagan的大部分股權。Exagan是法國的一家擁有獨特的外延層生長(cháng)技術(shù)的創(chuàng )新型企業(yè)，而且是為數不多之有能力在8吋（200 mm）晶圓上大規模部署并制造GaN芯片的廠(chǎng)商。

圖二 : ST并購Exagan是其長(cháng)期投資功率化合物半導體技術(shù)計劃的一部分。

ST并購Exagan是其長(cháng)期投資功率化合物半導體技術(shù)計劃的一部分。此次收購提升了ST在車(chē)用、工業(yè)和消費性高頻大功率GaN的技術(shù)累積，其有助于開(kāi)發(fā)計劃和業(yè)務(wù)擴大，透過(guò)與Exagan簽署的協(xié)議，ST將成為一家提供耗盡模式 / depletion-mode（D模式）和加強模式 / enhancement-mode（E模式）兩種GaN組件產(chǎn)品組合的公司。
D模式高電子遷移率晶體管（HEMT）采用「常開(kāi)」芯片結構，具有一條自然導電通道，無(wú)需在閘極上施加電壓。D模式則是GaN基組件的自然存在形式，一般是透過(guò)共源共閘結構來(lái)整合低壓硅MOSFET。另一方面，「常開(kāi)」或E模式組件具有一條P-GaN溝道，需要在閘極施加電壓才能導通。這兩種模式都越來(lái)越頻繁地出現在消費性、工業(yè)、電信和汽車(chē)應用中。
同年9月，ST推出首款MASTERGAN1，該系列產(chǎn)品采用半橋拓撲整合一個(gè)閘極驅動(dòng)器和兩個(gè)加強式GaN晶體管，并且是目前市場(chǎng)上首見(jiàn)整合兩個(gè)加強式GaN晶體管的系統級封裝，為設計高成本效益的筆記本電腦、手機等產(chǎn)品電源提供新的選擇。

加速GaN的大規模應用
更大的晶圓，更高的規模經(jīng)濟效益
一項新技術(shù)只有在確保生產(chǎn)效率的條件才能得到大規模應用。在本世紀初，當半導體產(chǎn)業(yè)還在努力解決GaN晶體中因大量缺陷而導致組件無(wú)法應用的問(wèn)題，在某種程度上取得一些成就并改善了情況。
然而，只有制程不斷優(yōu)化，工程師才能使用GaN功率組件來(lái)設計產(chǎn)品。Exagan的研發(fā)解決了這一問(wèn)題 —在提升產(chǎn)品良率的同時(shí)，使用8吋晶圓加工芯片。
Exagan負責協(xié)調PowerGaN系統和應用生態(tài)系統的產(chǎn)品應用總監Eric Moreau表示，當開(kāi)始創(chuàng )辦Exagan時(shí)，就已經(jīng)掌握了生長(cháng)外延層的專(zhuān)業(yè)知識。但是Exagan的目標是想超越產(chǎn)業(yè)標準。當時(shí)，大家都在使用6吋（150mm）晶圓。如果能夠克服8吋晶圓的挑戰，Exagan將能提供大規模市場(chǎng)滲透所需的產(chǎn)品良率和規模經(jīng)濟效益。

如何利用現有的CMOS晶圓廠(chǎng)
無(wú)論采用哪一種技術(shù)，工程師第一個(gè)考慮的是取得廠(chǎng)商的供貨保證，特別當設計產(chǎn)量很大的產(chǎn)品。在獲得Exagan的技術(shù)、外延制程技術(shù)和專(zhuān)業(yè)知識后，ST現在正在將這項技術(shù)整合至現有晶圓廠(chǎng)，而無(wú)需投入巨資采購專(zhuān)門(mén)的制造設備。工廠(chǎng)可以獲得更高的產(chǎn)品良率，更快速地提升產(chǎn)能—這意味著(zhù)成本效益更高的解決方案和可靠性更高的供應鏈指日可待。

技術(shù)融合升級對于產(chǎn)業(yè)的意義
厚積薄發(fā)
工程師想要說(shuō)服管理者采用GaN，就必須證明GaN的價(jià)值主張。理論參數固然重要，但決策者更看重現實(shí)價(jià)值。有效展示電路性能是設計團隊解決這一挑戰的方法之一。事實(shí)上，GaN組件可以大幅降低導通和開(kāi)關(guān)損耗，進(jìn)而降低冷卻系統的物料列表成本。
此外，更佳的開(kāi)關(guān)性能就能使用更小、更輕的無(wú)源組件，即電容和電感。更高的功率密度則能讓工程師研發(fā)出更功率配置更緊密的系統（尺寸可縮小到四分之一）。因此，即使硅組件（MOSFET或IGBT）成本較高，GaN組件所能帶來(lái)的利益仍然讓其在競爭中處于優(yōu)勢。
透過(guò)收購Exagan，ST將擁有強大的GaN IP組合，能夠同時(shí)提供E型和D型兩種GaN產(chǎn)品，規劃明確之未來(lái)十年產(chǎn)品開(kāi)發(fā)藍圖。ST GaN業(yè)務(wù)部門(mén)經(jīng)理Roberto Crisafulli表示，「透過(guò)引進(jìn)Exagan獨有的專(zhuān)業(yè)知識技術(shù)，ST將進(jìn)一步鞏固其在GaN技術(shù)領(lǐng)域的地位。此舉將有助于強化ST在新型復合材料功率半導體領(lǐng)域之世界領(lǐng)先地位?！?br/>
開(kāi)路先鋒
四十年前，隨著(zhù)半導體產(chǎn)業(yè)開(kāi)始用硅制造晶體管，硅被廣泛用于電子產(chǎn)品。正是有了這樣一個(gè)基礎，硅組件的創(chuàng )新至今方興未艾。
如果制造商還看不到一項技術(shù)某些積極的成果，他們就不能找到合適的理由推動(dòng)此項技術(shù)。透過(guò)整合和Exagan的技術(shù)后，ST有信心為未來(lái)的GaN投資和創(chuàng )新奠定穩固的基礎。簡(jiǎn)而言之，今日的GaN就是40年前的硅，目前雖然還只是鋒芒初綻，但其發(fā)展潛力不可小覷。