工程師應(yīng)該采用氮化鎵 （GaN）功率器件，還是為時尚早？部分答案在于我們收購了 Exagan 的多數(shù)股權(quán)，Exagan是一家擁有獨特外延生長專業(yè)知識的法國創(chuàng)新者，也是少數(shù)能夠在 8 英寸（200 毫米）晶圓上大規(guī)模部署和生產(chǎn) GaN 功率器件的公司之一。 意法半導(dǎo)體對 Exagan 的投資是我們在復(fù)合功率半導(dǎo)體領(lǐng)域長期承諾的延續(xù)。事實上，我們最近推出了MASTERGAN1，這是第一個 600 V 系統(tǒng)級封裝在半橋拓?fù)渲芯哂幸粋€柵極驅(qū)動器和兩個增強型 GaN 晶體管。該設(shè)備為筆記本電腦和智能手機等提供具有成本效益的電源打開了大門。因此，工程師越來越多地將 GaN 功率器件的設(shè)計和生產(chǎn)視為主流。

第一的重要性

氮化鎵是一種化合物 III/V 半導(dǎo)體材料。它具有 3.4 eV 的寬帶隙和 1，700 cm2/Vs 的電子遷移率。相比之下，硅的電壓為 1.1 eV 和 1，400 cm2/Vs。因此，GaN 的固有特性導(dǎo)致更高的擊穿電壓和更低的通態(tài)電阻，這意味著與類似尺寸的硅器件相比，該組件可以更有效地處理更大的負(fù)載，從而降低材料清單。ST 看到了 GaN 的潛力，是首批提供采用這種新材料的主流功率器件的公司之一。事實上，MASTERGAN 系列提供了業(yè)內(nèi)第一個也是唯一一個帶有兩個 e-Mode GaN 晶體管的系統(tǒng)級封裝。

而現(xiàn)在，與 Exagan 的協(xié)議意味著 ST 將成為第一家在其產(chǎn)品組合中擁有耗盡型 （D-mode） 和增強型 （E-mode） GaN 器件的公司。D 模式高電子遷移率晶體管 （HEMT） 使用“常開”芯片配置，這意味著它們具有不需要在柵極施加電壓的自然導(dǎo)電溝道。D 模式代表基于 GaN 的器件的自然形式，它通常將低壓硅 MOSFET 集成到級聯(lián)配置中。另一方面，“常關(guān)”或 E 模式器件具有 P-GaN 通道，需要柵極電壓才能導(dǎo)通。兩者都越來越多地出現(xiàn)在消費、工業(yè)、電信和汽車應(yīng)用中。

收養(yǎng)困境

盡管 GaN 器件越來越受歡迎，但當(dāng)工程師遇到不情愿的經(jīng)理或制造合作伙伴時，可能會出現(xiàn)問題。一方面，甚至最終用戶也開始了解氮化鎵。正如我們在2020 年工業(yè)峰會期間展示的那樣，GaN 功率器件越來越多地出現(xiàn)在日常用品中。此外，流行的科技媒體，如Engadget或The Verge等，在解釋 GaN 的好處方面做得很好。另一方面，例如，某些工業(yè)產(chǎn)品制造商可能會避免使用 GaN，因為擔(dān)心潛在的 PCB 重新設(shè)計或采購問題。因此，讓我們探索 ST 和 Exagan 解決方案的影響，以幫助工程師更好地掌握 GaN 現(xiàn)在適合其產(chǎn)品和運營的位置。

ST 和 Exagan：加速 GaN 的大規(guī)模采用

更大晶圓的重要性

一項新技術(shù)只有在能夠有效制造的情況下才能被大規(guī)模采用。在世紀(jì)之交，該行業(yè)仍在為氮化鎵晶體中大量缺陷而苦苦掙扎，以至于設(shè)備無法使用。從那以后，情況有了很大的改善。然而，如果制造工藝不斷改進，工程師只能現(xiàn)實地設(shè)想使用 GaN 功率器件。Exagan 的工作因此具有高度的象征意義，因為該公司在提高產(chǎn)量的同時還使用了 8 英寸晶圓。正如 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)品和應(yīng)用總監(jiān) Eric Moreau 所解釋的。

使用當(dāng)前 CMOS 晶圓廠的重要性

無論采用何種技術(shù)，工程師都必須確保他們需要的組件是可用的。事實上，團隊不可避免地會懷疑他們是否可以依靠 GaN 功率器件，尤其是在處理大批量時。憑借 Exagan 的技術(shù)、外延工藝和專業(yè)知識，ST 現(xiàn)在正在將這項技術(shù)應(yīng)用到其當(dāng)前的晶圓廠中，而無需對獨特的加工設(shè)備進行任何特別的投資。因此，植物可以享受更高的產(chǎn)量并更快地提高產(chǎn)量。因此，該行業(yè)可以期待更具成本效益的解決方案和更可靠的供應(yīng)鏈。

ST 和 Exagan：ST 的 PowerGaN 對行業(yè)意味著什么

今天的基礎(chǔ)

想要說服他們的經(jīng)理的工程師必須展示 GaN 的價值主張。理論數(shù)字很好，但決策者需要真實世界的價值。團隊解決這一挑戰(zhàn)的一種方法是展示賽道的表現(xiàn)。事實上，GaN 器件能夠大幅降低傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗，從而降低冷卻系統(tǒng)的材料清單。此外，更好的開關(guān)性能意味著更小和更輕的無源元件，即電容器和電感器。因此，由于功率密度更高，工程師可以創(chuàng)建更緊湊的系統(tǒng)（最多四倍）。因此，即使與硅替代品（MOSFET 或 IGBT）相比，GaN 器件可能更昂貴，但它們帶來的好處卻對它們有利。

通過與 Exagan 的集成，ST 將擁有市場上最強大的 GaN IP 產(chǎn)品組合，因為我們將能夠同時提供 E 模式和 D 模式 GaN 產(chǎn)品，從而為未來十年制定清晰的路線圖。正如 ST GaN 業(yè)務(wù)部門經(jīng)理 Roberto Crisafulli 所解釋的那樣。

未來的基礎(chǔ)

四十年前，硅在電子領(lǐng)域變得無處不在，因為該行業(yè)開始在晶體管中高效可靠地使用它。正是基于這樣的基礎(chǔ)，硅器件的所有其他創(chuàng)新今天仍在流動。如果制造商還不能看到一些積極的結(jié)果，他們就無法證明推動技術(shù)向前發(fā)展的合理性。通過結(jié)合 ST 和 Exagan 的技術(shù)，我們?yōu)槲磥淼?GaN 投資和創(chuàng)新奠定了堅實的基礎(chǔ)。簡而言之，今天的氮化鎵與 40 年前的硅一樣，該行業(yè)只是瞥見了它的增長潛力。

審核編輯：郭婷