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ST和Exagan开启GaN发展新篇章


ST和Exagan开启GaN发展新篇章
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氮化镓(GaN)是一种III-V族宽能隙化合物半导体材料 ， 能隙为3.4eV ， 电子迁移率为1,700cm2/Vs ， 而硅的能隙和电子迁移率分别为1.1eV和1,400cm2/Vs 。因此 ， GaN的固有性质让器件具有更高的击穿电压和更低的通态电阻 ， 这就是说 ， 与同尺寸的硅基器件相比 ， GaN器件可以处理更大的负载 ， 能效更高 ， 物料清单成本更低 。
ST和Exagan开启GaN发展新篇章
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在过去的十多年里 ， 行业专家和分析人士一直在预测 ， 基于GaN功率开关器件的黄金时期即将到来 。与应用广泛的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强的功耗处理能力 。这些优势正是当下高功耗高密度系统、大数据服务器和计算机所需要的 。
选用困境
一方面 ， GaN器件的人气越来越高 ， 频繁地出现在日常用品中 ， 诸如手机充电器等终端产品的用户都开始探索、揭秘GaN ， 各类开箱、拆解视频在社交软件上层出不穷 ， 许多大众科技媒体更是不遗余力地介绍GaN产品的好处 。但另一方面 ， GaN器件的特性也意味着在使用它时 ， 开发人员需要有更合理周密的设计 ， 如更多地考虑栅极驱动 ， 电压和电流转换速率 ， 电流等级 ， 噪声源和耦合布局考虑因素对导通和关断所带来的影响 。因此 ， 某些工业产品制造商仍会因担心潜在的PCB重新设计或采购问题而避免使用GaN 。
ST和Exagan：把握先机的重要性
在看到GaN的发展潜力后 ， ST开始加强在这种复合材料上的投资和生态系统的开发 。
2020年3月 ， ST收购了Exagan的大部分股权 。Exagan是法国的一家拥有独特的外延层生长技术的创新型企业 ， 是为数不多几家有能力在8吋(200mm)晶圆上大规模部署并制造GaN芯片的厂商 。ST对Exagan的并购是其长期投资功率化合物半导体技术计划的一部分 。此次收购提高了ST在汽车、工业和消费级高频大功率GaN的技术积累、有助于其开发计划和业务的扩大 。通过与Exagan签署并购协议 ， ST将成为第一家产品组合有耗尽模式/ depletion-mode（D模式）和增强模式/enhancement-mode（E模式）两种GaN器件的公司 。D模式高电子迁移率晶体管（HEMT）采用“常开”芯片结构 ， 具有一条自然导电通道 ， 无需在栅极上施加电压 。D模式是GaN基器件的自然存在形式 ， 一般是通过共源共栅结构来集成低压硅MOSFET 。另一方面 ， “常开”或E模式器件具有一条P-GaN沟道 ， 需要在栅极施加电压才能导通 。这两种模式都越来越多地出现在消费者、工业、电信和汽车应用中 。
同年9月 ， ST发布了业内首个600V系统级封装MASTERGAN1, 该系列产品采用半桥拓扑集成一个栅极驱动器和两个增强式GaN晶体管 ， 为设计高成本效益的笔记本、手机等产品电源提供了新的选择 ， 是目前市场上首个且唯一的集成两个增强式GaN晶体管的系统级封装 。
ST和Exagan： 加快GaN的大规模应用
更大的晶圆 ， 更高的规模经济效益
一项新技术只有在保证生产效率的条件才能得到大规模应用 。在本世纪初 ， 半导体行业还在努力解决GaN晶体中的大量缺陷导致器件无法应用的问题 ， 这的确在某种程度上取得了一些成就并改善了情况 。然而 ， 只有制造工艺不断改进 ， 工程师才能切合实际地用GaN功率器件设计产品 。Exagan的研发工作实现了这一点——在提高产品良率的同时还使用8吋晶圆加工芯片 。

Exagan负责协调PowerGaN系统和应用生态系统的产品应用总监EricMoreau解释说：“当我们开始创办Exagan时 ， 就已经掌握了生长外延层的专业知识 。但是我们的目标是想超越行业标准 。当时 ， 大家都在用6吋（150mm）的晶圆 。如果能够克服8吋晶圆的挑战 ， 我们将领先业界 ， 将能提供大规模市场渗透所需的产品良率和规模经济效益 。”

如何利用好现有CMOS晶圆厂

【ST和Exagan开启GaN发展新篇章】无论采用哪一种技术 ， 工程师第一个考虑的都是先获得厂商的供货保证 ， 尤其是在设计产量很大的产品时 。在获得Exagan的技术、外延工艺和专业知识后 ， ST现在正在将这项技术融入现有晶圆厂 ， 而无需投入巨资采购专门的制造设备 。工厂可以获得更高的产品良率 ， 更快地提高产能 —— 这意味着成本效益更高的解决方案和可靠性更高的供应链指日可待 。

ST和Exagan：技术的融合升级对行业的意义

厚积薄发

工程师想要说服管理者采用GaN ， 就必须证明GaN的价值主张 。理论参数固然重要 ， 但决策者更看重现实价值 。展示电路性能是设计团队解决这一挑战的方法之一 。事实上 ， GaN器件可以大幅降低导通和开关损耗 ， 进而降低冷却系统的物料清单成本 。此外 ， 更好的开关性能意味着可以使用更小更轻的无源元件 ， 即电容和电感 。更高的功率密度能够让工程师开发出更紧凑的系统（尺寸缩小到四分之一） 。因此 ， 即使比硅器件（MOSFET或IGBT）贵 ， GaN器件带来的好处仍然让其在竞争中处于优势 。

通过并购Exagan公司 ， ST将拥有强大的GaNIP组合 ， 将能够同时提供E型和D型两种GaN产品 ， 制定明确的未来十年产品开发路线图 。ST的GaN业务部门经理RobertoCrisafulli表示：“通过引进Exagan独有的专业知识技术 ， ST进一步巩固了在GaN技术领域的地位 。此举将有助于加强ST在新型复合材料功率半导体领域的无可争议的世界领先地位 。”

开路先锋
四十年前 ， 随着半导体行业开始用硅制造晶体管 ， 硅被广泛用于电子产品 。正是有了这样一个基础 ， 硅器件的创新至今方兴未艾 。如果制造商还看不到一项技术的某些积极的成果 ， 他们就不能找到合适的理由推进这一项技术 。通过整合和Exagan的技术 ， ST有信心为未来的GaN投资和创新奠定这一坚实的基础 。简而言之 ， 今日的GaN就是40年前的硅 ， 目前虽然还只是锋芒初绽 ， 但其发展潜力不可小觑 。

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