ST 和Exagan开启GaN发展新篇章

日期:2021-09-07
 

 
氮化镓(GaN)是一种III-V族宽能隙化合物半导体材料,能隙为3.4 eV,电子迁移率为1,700 cm2/Vs,而硅的能隙和电子迁移率分别为1.1 eV和1,400 cm2/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。
 
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。
 
STExagan: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(200 mm)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600 V 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。
 
STExagan 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Eric Moreau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
 
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。
 
STExagan: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GaN IP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Roberto Crisafulli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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