ST 和Exagan開(kāi)啟GaN發(fā)展新篇章

氮化鎵(GaN)是一種III-V族寬能隙化合物半導體材料，能隙為3.4 eV，電子遷移率為1,700 cm2/Vs，而硅的能隙和電子遷移率分別為1.1 eV和1,400 cm2/Vs。因此，GaN的固有性質(zhì)讓器件具有更高的擊穿電壓和更低的通態(tài)電阻，這就是說(shuō)，與同尺寸的硅基器件相比，GaN器件可以處理更大的負載，能效更高，物料清單成本更低。

在過(guò)去的十多年里，行業(yè)專(zhuān)家和分析人士一直在預測，基于GaN功率開(kāi)關(guān)器件的黃金時(shí)期即將到來(lái)。與應用廣泛的MOSFET硅功率器件相比，基于GaN的功率器件具有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、大數據服務(wù)器和計算機所需要的。

選用困境

一方面，GaN器件的人氣越來(lái)越高，頻繁地出現在日常用品中，諸如手機充電器等終端產(chǎn)品的用戶(hù)都開(kāi)始探索、揭秘GaN，各類(lèi)開(kāi)箱、拆解視頻在社交軟件上層出不窮，許多大眾科技媒體更是不遺余力地介紹GaN產(chǎn)品的好處。但另一方面，GaN器件的特性也意味著(zhù)在使用它時(shí)，開(kāi)發(fā)人員需要有更合理周密的設計，如更多地考慮柵極驅動(dòng)，電壓和電流轉換速率，電流等級，噪聲源和耦合布局考慮因素對導通和關(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 )因擔心潛在的PCB重新設計或采購問(wèn)題而避免使用GaN。

ST和Exagan：把握先機的重要性

在看到GaN的發(fā)展潛力后，ST開(kāi)始加強在這種復合材料上的投資和生態(tài)系統的開(kāi)發(fā)。

2020年3月，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)，是為數不多幾家有能力在8吋(200 mm)晶圓上大規模部署并制造GaN芯片的廠(chǎng)商。ST對Exagan的并購是其長(cháng)期投資功率化合物半導體技術(shù)計劃的一部分。此次收購提高了ST在汽車(chē)、工業(yè)和消費級高頻大功率GaN的技術(shù)積累、有助于其開(kāi)發(fā)計劃和業(yè)務(wù)的擴大。通過(guò)與Exagan簽署并購協(xié)議，ST將成為第一家產(chǎn)品組合有耗盡模式 / depletion-mode（D模式）和增強模式 / enhancement-mode（E模式）兩種GaN器件的公司。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)需在柵極上施加電壓。D模式是GaN基器件的自然存在形式，一般是通過(guò)共源共柵結構來(lái)集成低壓硅MOSFET。另一方面，“ 常開(kāi)”或E模式器件具有一條P-GaN溝道，需要在柵極施加電壓才能導通。這兩種模式都越來(lái)越多地出現在消費者、工業(yè)、電信和汽車(chē)應用中。

同年9月，ST發(fā)布了業(yè)內首個(gè)600 V 系統級封裝MASTERGAN1, 該系列產(chǎn)品采用半橋拓撲集成一個(gè)柵極驅動(dòng)器和兩個(gè)增強式GaN晶體管，為設計高成本效益的筆記本、手機等產(chǎn)品電源提供了新的選擇，是目前市場(chǎng)上首個(gè)且唯一的集成兩個(gè)增強式GaN晶體管的系統級封裝。

ST和Exagan： 加快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)只有在保證生產(chǎn)效率的條件才能得到大規模應用。在本世紀初，半導體行業(yè)還在努力解決GaN晶體中的大量缺陷導致器件無(wú)法應用的問(wèn)題，這的確在某種程度上取得了一些成就并改善了情況。然而，只有制造工藝不斷改進(jìn)，工程師才能切合實(shí)際地用GaN功率器件設計產(chǎn)品。Exagan的研發(fā)工作實(shí)現了這一點(diǎn) ——在提高產(chǎn)品良率的同時(shí)還使用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解釋說(shuō)：“當我們開(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。但是我們的目標是想超越行業(yè)標準。當時(shí)，大家都在用6吋（150mm）的晶圓。如果能夠克服8吋晶圓的挑戰，我們將領(lǐng)先業(yè)界，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?！?/p>

如何利用好現有CMOS晶圓廠(chǎng)

無(wú)論采用哪一種技術(shù)，工程師第一個(gè)考慮的都是先獲得廠(chǎng)商的供貨保證，尤其是在設計產(chǎn)量很大的產(chǎn)品時(shí)。在獲得Exagan的技術(shù)、外延工藝和專(zhuān)業(yè)知識后， ST現在正在將這項技術(shù)融入現有晶圓廠(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，更快地提高產(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。

ST和Exagan：技術(shù)的融合升級對行業(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。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器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清單成本。此外，更好的開(kāi)關(guān)性能意味著(zhù)可以使用更小更輕的無(wú)源元件，即電容和電感。更高的功率密度能夠讓工程師開(kāi)發(fā)出更緊湊的系統（尺寸縮小到四分之一）。因此，即使比硅器件（MOSFET或IGBT）貴，GaN器件帶來(lái)的好處仍然讓其在競爭中處于優(yōu)勢。

通過(guò)并購Exagan公司，ST將擁有強大的GaN IP組合，將能夠同時(shí)提供E型和D型兩種GaN產(chǎn)品，制定明確的未來(lái)十年產(chǎn)品開(kāi)發(fā)路線(xiàn)圖。ST的GaN業(yè)務(wù)部門(mén)經(jīng)理Roberto Crisafulli表示：“通過(guò)引進(jìn)Exagan獨有的專(zhuān)業(yè)知識技術(shù)，ST進(jìn)一步鞏固了在GaN技術(shù)領(lǐng)域的地位。此舉將有助于加強ST在新型復合材料功率半導體領(lǐng)域的無(wú)可爭議的世界領(lǐng)先地位?！?/p>

開(kāi)路先鋒

四十年前，隨著(zhù)半導體行業(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，硅器件的創(chuàng )新至今方興未艾。如果制造商還看不到一項技術(shù)的某些積極的成果，他們就不能找到合適的理由推進(jìn)這一項技術(shù)。通過(guò)整合和Exagan的技術(shù)，ST有信心為未來(lái)的GaN投資和創(chuàng )新奠定這一堅實(shí)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。