氮化鎵(GaN)是一種III-V族寬能隙化合物半導(dǎo)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，與同尺寸的硅基器件相比，GaN器件可以處理更大的負(fù)載，能效更高，物料清單成本更低。
在過去的十多年里，行業(yè)專家和分析人士一直在預(yù)測，基于GaN功率開關(guān)器件的黃金時期即將到來。與應(yīng)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(qiáng)的功耗處理能力。這些優(yōu)勢正是當(dāng)下高功耗高密度系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)服務(wù)器和計算機(jī)所需要的。
選用困境
一方面，GaN器件的人氣越來越高，頻繁地出現(xiàn)在日常用品中，諸如手機(jī)充電器等終端產(chǎn)品的用戶都開始探索、揭秘GaN，各類開箱、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在使用它時，開發(fā)人員需要有更合理周密的設(shè)計，如更多地考慮柵極驅(qū)動，電壓和電流轉(zhuǎn)換速率，電流等級，噪聲源和耦合布局考慮因素對導(dǎo)通和關(guān)斷所帶來的影響。因此，某些工業(yè)產(chǎn)品制造商仍會因擔(dān)心潛在的PCB重新設(shè)計或采購問題而避免使用GaN。
ST和Exagan：把握先機(jī)的重要性
在看到GaN的發(fā)展?jié)摿螅琒T開始加強(qiáng)在這種復(fù)合材料上的投資和生態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)。
2020年3月，ST收購了Exagan的大部分股權(quán)。Exagan是法國的一家擁有獨(dú)特的外延層生長技術(shù)的創(chuàng)新型企業(yè)，是為數(shù)不多幾家有能力在8吋(200 mm)晶圓上大規(guī)模部署并制造GaN芯片的廠商。ST對Exagan的并購是其長期投資功率化合物半導(dǎo)體技術(shù)計劃的一部分。此次收購提高了ST在汽車、工業(yè)和消費(fèi)級高頻大功率GaN的技術(shù)積累、有助于其開發(fā)計劃和業(yè)務(wù)的擴(kuò)大。通過與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(qiáng)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”芯片結(jié)構(gòu)，具有一條自然導(dǎo)電通道，無需在柵極上施加電壓。D模式是GaN基器件的自然存在形式，一般是通過共源共柵結(jié)構(gòu)來集成低壓硅MOSFET。另一方面，“常開”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(dǎo)通。這兩種模式都越來越多地出現(xiàn)在消費(fèi)者、工業(yè)、電信和汽車應(yīng)用中。
同年9月，ST發(fā)布了業(yè)內(nèi)首個600 V系統(tǒng)級封裝MASTERGAN1,該系列產(chǎn)品采用半橋拓?fù)浼梢粋�柵極驅(qū)動器和兩個增強(qiáng)式GaN晶體管，為設(shè)計高成本效益的筆記本、手機(jī)等產(chǎn)品電源提供了新的選擇，是目前市場上首個且唯一的集成兩個增強(qiáng)式GaN晶體管的系統(tǒng)級封裝。
ST和Exagan：加快GaN的大規(guī)模應(yīng)用
更大的晶圓，更高的規(guī)模經(jīng)濟(jì)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(guī)模應(yīng)用。在本世紀(jì)初，半導(dǎo)體行業(yè)還在努力解決GaN晶體中的大量缺陷導(dǎo)致器件無法應(yīng)用的問題，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(shè)計產(chǎn)品。Exagan的研發(fā)工作實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)——在提高產(chǎn)品良率的同時還使用8吋晶圓加工芯片。
Exagan負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)PowerGaN系統(tǒng)和應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)品應(yīng)用總監(jiān)Eric Moreau解釋說：“當(dāng)我們開始創(chuàng)辦Exagan時，就已經(jīng)掌握了生長外延層的專業(yè)知識。但是我們的目標(biāo)是想超越行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時，大家都在用6吋（150mm）的晶圓。如果能夠克服8吋晶圓的挑戰(zhàn)，我們將領(lǐng)先業(yè)界，將能提供大規(guī)模市場滲透所需的產(chǎn)品良率和規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。”
如何利用好現(xiàn)有CMOS晶圓廠
無論采用哪一種技術(shù)，工程師第一個考慮的都是先獲得廠商的供貨保證，尤其是在設(shè)計產(chǎn)量很大的產(chǎn)品時。在獲得Exagan的技術(shù)、外延工藝和專業(yè)知識后，ST現(xiàn)在正在將這項技術(shù)融入現(xiàn)有晶圓廠，而無需投入巨資采購專門的制造設(shè)備。工廠可以獲得更高的產(chǎn)品良率，更快地提高產(chǎn)能——這意味著成本效益更高的解決方案和可靠性更高的供應(yīng)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)
工程師想要說服管理者采用GaN，就必須證明GaN的價值主張。理論參數(shù)固然重要，但決策者更看重現(xiàn)實(shí)價值。展示電路性能是設(shè)計團(tuán)隊解決這一挑戰(zhàn)的方法之一。事實(shí)上，GaN器件可以大幅降低導(dǎo)通和開關(guān)損耗，進(jìn)而降低冷卻系統(tǒng)的物料清單成本。此外，更好的開關(guān)性能意味著可以使用更小更輕的無源元件，即電容和電感。更高的功率密度能夠讓工程師開發(fā)出更緊湊的系統(tǒng)（尺寸縮小到四分之一）。因此，即使比硅器件（MOSFET或IGBT）貴，GaN器件帶來的好處仍然讓其在競爭中處于優(yōu)勢。
通過并購Exagan公司，ST將擁有強(qiáng)大的GaN IP組合，將能夠同時提供E型和D型兩種GaN產(chǎn)品，制定明確的未來十年產(chǎn)品開發(fā)路線圖。ST的GaN業(yè)務(wù)部門經(jīng)理Roberto Crisafulli表示：“通過引進(jìn)Exagan獨(dú)有的專業(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(qiáng)ST在新型復(fù)合材料功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的無可爭議的世界領(lǐng)先地位。”
開路先鋒
四十年前，隨著半導(dǎo)體行業(yè)開始用硅制造晶體管，硅被廣泛用于電子產(chǎn)品。正是有了這樣一個基礎(chǔ)，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)。通過整合和Exagan的技術(shù)，ST有信心為未來的GaN投資和創(chuàng)新奠定這一堅實(shí)的基礎(chǔ)。簡而言之，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?jié)摿Σ豢尚∮U。