ST 和Exagan開啟GaN發展新篇章

　　氮化鎵(GaN)是一種III-V族寬能隙化合物半導體材料，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的固有性質讓器件具有更高的擊穿電壓和更低的通態電阻，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載，能效更高，物料清單成本更低。

　　在過去的十多年里，行業專家和分析人士一直在預測，基于GaN功率開關器件的黃金時期即將到來。與應用廣泛的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的功耗處理能力。這些優勢正是當下高功耗高密度系統、大數據服務器和計算機所需要的。

　　選用困境

　　一方面，GaN器件的人氣越來越高，頻繁地出現在日常用品中，諸如手機充電器等終端產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，開發人員需要有更合理周密的設計，如更多地考慮柵極驅動，電壓和電流轉換速率，電流等級，噪聲源和耦合布局考慮因素對導通和關斷所帶來的影響。因此，某些工業產品制造商仍會因擔心潛在的PCB重新設計或采購問題而避免使用GaN。

　　ST和Exagan：把握先機的重要性

　　在看到GaN的發展潛力后，ST開始加強在這種復合材料上的投資和生態系統的開發。

　　2020年3月，ST收購了Exagan的大部分股權。Exagan是法國的一家擁有獨特的外延層生長技術的創新型企業，是為數不多幾家有能力在8吋(200 mm)晶圓上大規模部署并制造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體技術計劃的一部分。此次收購提高了ST在汽車、工業和消費級高頻大功率GaN的技術積累、有助于其開發計劃和業務的擴大。通過與Exagan簽署并購協議，ST將成為第一家產品組合有耗盡模式/depletion-mode（D模式）和增強模式/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”芯片結構，具有一條自然導電通道，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構來集成低壓硅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通。這兩種模式都越來越多地出現在消費者、工業、電信和汽車應用中。

　　同年9月，ST發布了業內首個600 V系統級封裝MASTERGAN1,該系列產品采用半橋拓撲集成一個柵極驅動器和兩個增強式GaN晶體管，為設計高成本效益的筆記本、手機等產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式GaN晶體管的系統級封裝。

　　ST和Exagan：加快GaN的大規模應用

　　更大的晶圓，更高的規模經濟效益

　　一項新技術只有在保證生產效率的條件才能得到大規模應用。在本世紀初，半導體行業還在努力解決GaN晶體中的大量缺陷導致器件無法應用的問題，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，工程師才能切合實際地用GaN功率器件設計產品。Exagan的研發工作實現了這一點——在提高產品良率的同時還使用8吋晶圓加工芯片。

　　Exagan負責協調PowerGaN系統和應用生態系統的產品應用總監Eric Moreau解釋說：“當我們開始創辦Exagan時，就已經掌握了生長外延層的專業知識。但是我們的目標是想超越行業標準。當時，大家都在用6吋（150mm）的晶圓。如果能夠克服8吋晶圓的挑戰，我們將領先業界，將能提供大規模市場滲透所需的產品良率和規模經濟效益。”

　　如何利用好現有CMOS晶圓廠

　　無論采用哪一種技術，工程師第一個考慮的都是先獲得廠商的供貨保證，尤其是在設計產量很大的產品時。在獲得Exagan的技術、外延工藝和專業知識后，ST現在正在將這項技術融入現有晶圓廠，而無需投入巨資采購專門的制造設備。工廠可以獲得更高的產品良率，更快地提高產能——這意味著成本效益更高的解決方案和可靠性更高的供應鏈指日可待。

　　ST和Exagan：技術的融合升級對行業的意義

　　厚積薄發

　　工程師想要說服管理者采用GaN，就必須證明GaN的價值主張。理論參數固然重要，但決策者更看重現實價值。展示電路性能是設計團隊解決這一挑戰的方法之一。事實上，GaN器件可以大幅降低導通和開關損耗，進而降低冷卻系統的物料清單成本。此外，更好的開關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出更緊湊的系統（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勢。

　　通過并購Exagan公司，ST將擁有強大的GaN IP組合，將能夠同時提供E型和D型兩種GaN產品，制定明確的未來十年產品開發路線圖。ST的GaN業務部門經理Roberto Crisafulli表示：“通過引進Exagan獨有的專業知識技術，ST進一步鞏固了在GaN技術領域的地位。此舉將有助于加強ST在新型復合材料功率半導體領域的無可爭議的世界領先地位�！�

　　開路先鋒

　　四十年前，隨著半導體行業開始用硅制造晶體管，硅被廣泛用于電子產品。正是有了這樣一個基礎，硅器件的創新至今方興未艾。如果制造商還看不到一項技術的某些積極的成果，他們就不能找到合適的理由推進這一項技術。通過整合和Exagan的技術，ST有信心為未來的GaN投資和創新奠定這一堅實的基礎。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，但其發展潛力不可小覷。