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ST和Exagan携手开启GaN发展新章节
 

【作者: 意法半導體】2021年08月17日 星期二

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氮化??(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1,700 cm2/Vs,而矽的能隙和电子迁移率则分别为1.1 eV和1,400cm2/Vs。因此,GaN的固有特性,让元件具有更高的击穿电压和更低的通态电阻,亦即相较於同尺寸的矽基元件,GaN可处理更大的负载、效能更高,而且物料清单成本更低。


在过去的十多年里,产业专家和分析人士一直在预测,GaN功率开关元件的黄金时期即将到来。相较於应用广泛的MOSFET矽功率元件,GaN功率元件具备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、巨量资料伺服器和电脑所需要的。


选用困境

图一 :  GaN功率元件具备高效率和强大功耗处理能力的优势。
图一 : GaN功率元件具备高效率和强大功耗处理能力的优势。

一方面随着GaN元件人气逐渐提升,而且频繁地出现在日常用品当中,诸如手机充电器等终端产品的使用者都开始探索并了解GaN,开箱、拆解影片在社群软体中持续曝光,而许多科技媒体更是不遗馀力地介绍GaN产品各项优势。


但另一方面,GaN元件的特性也意味着在使用它时,开发人员需要有更缜密的设计,例如闸极驱动,电压和电流转换速率,电流等级,噪音源和耦合规划等对於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PCB重新设计或采购问题而避免使用GaN。


把握先机的重要性

在了解到GaN的发展潜力後,ST开始强化在此复合材料上的投入和生态系统的研发。


2020年3月,意法半导体(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,而且是为数不多之有能力在8寸(200 mm)晶圆上大规模部署并制造GaN晶片的厂商。



图二 : ST并购Exagan是其长期投资功率化合物半导体技术计画的一部分。
图二 : ST并购Exagan是其长期投资功率化合物半导体技术计画的一部分。

ST并购Exagan是其长期投资功率化合物半导体技术计画的一部分。此次收购提升了ST在车用、工业和消费性高频大功率GaN的技术累积,其有助於开发计画和业务扩大,透过与Exagan签署的协定,ST将成为一家提供耗尽模式 / depletion-mode(D模式)和加强模式 / enhancement-mode(E模式)两种GaN元件产品组合的公司。


D模式高电子迁移率电晶体(HEMT)采用「常开」晶片结构,具有一条自然导电通道,无需在闸极上施加电压。D模式则是GaN基元件的自然存在形式,一般是透过共源共闸结构来整合低压矽MOSFET。另一方面,「常开」或E模式元件具有一条P-GaN沟道,需要在闸极施加电压才能导通。这两种模式都越来越频繁地出现在消费性、工业、电信和汽车应用中。


同年9月,ST推出首款MASTERGAN1,该系列产品采用半桥拓扑整合一个闸极驱动器和两个加强式GaN电晶体,并且是目前市场上首见整合两个加强式GaN电晶体的系统级封装,为设计高成本效益的笔记型电脑、手机等产品电源提供新的选择。


加速GaN的大规模应用

更大的晶圆,更高的规模经济效益

一项新技术只有在确保生产效率的条件才能得到大规模应用。在本世纪初,当半导体产业还在努力解决GaN晶体中因大量缺陷而导致元件无法应用的问题,在某种程度上取得一些成就并改善了情况。


然而,只有制程不断优化,工程师才能使用GaN功率元件来设计产品。Exagan的研发解决了这一问题 在提升产品良率的同时,使用8寸晶圆加工晶片。


Exagan负责协调PowerGaN系统和应用生态系统的产品应用总监Eric Moreau表示,当开始创办Exagan时,就已经掌握了生长外延层的专业知识。但是Exagan的目标是想超越产业标准。当时,大家都在使用6寸(150mm)晶圆。如果能够克服8寸晶圆的挑战,Exagan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。


如何利用现有的CMOS晶圆厂

无论采用哪一种技术,工程师第一个考虑的是取得厂商的供货保证,特别当设计产量很大的产品。在获得Exagan的技术、外延制程技术和专业知识後,ST现在正在将这项技术整合至现有晶圆厂,而无需投入钜资采购专门的制造设备。工厂可以获得更高的产品良率,更快速地提升产能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。


技术融合升级对於产业的意义

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。理论叁数固然重要,但决策者更看重现实价值。有效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元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,更隹的开关性能就能使用更小、更轻的无源元件,即电容和电感。更高的功率密度则能让工程师研发出更功率配置更紧密的系统(尺寸可缩小到四分之一)。因此,即使矽元件(MOSFET或IGBT)成本较高,GaN元件所能带来的利益仍然让其在竞争中处於优势。


透过收购Exagan,ST将拥有强大的GaN IP组合,能够同时提供E型和D型两种GaN产品,规划明确之未来十年产品开发蓝图。ST GaN业务部门经理Roberto Crisafulli表示,「透过引进Exagan独有的专业知识技术,ST将进一步巩固其在GaN技术领域的地位。此举将有助於强化ST在新型复合材料功率半导体领域之世界领先地位。」


开路先锋

四十年前,随着半导体产业开始用矽制造电晶体,矽被广泛用於电子产品。正是有了这样一个基础,矽元件的创新至今方兴未艾。


如果制造商还看不到一项技术某些积极的成果,他们就不能找到合适的理由推动此项技术。透过整合和Exagan的技术後,ST有信心为未来的GaN投资和创新奠定稳固的基础。简而言之,今日的GaN就是40年前的矽,目前虽然还只是锋芒初绽,但其发展潜力不可小黥。


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