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(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(yōu)勢正是當下高功耗高密度系統(tǒng),、大數(shù)據(jù)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(xiàn)在日常用品中，諸如手機充電器等終端產(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(yè)產(chǎn)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(fā)展?jié)摿?，ST開始加強在這種復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,。Exagan是法國的一家擁有獨特的外延層生長技術的創(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體技術計劃的一部分,。此次收購提高了ST在汽車、工業(yè)和消費級高頻大功率GaN的技術積累,、有助于其開發(fā)計劃和業(yè)務的擴大,。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(xiàn)在消費者,、工業(yè),、電信和汽車應用中。

同年9月,，ST發(fā)布了業(yè)內首個600 V 系統(tǒng)級封裝MASTERGAN1, 該系列產(chǎn)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(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式GaN晶體管的系統(tǒng)級封裝,。

ST和Exagan： 加快GaN的大規(guī)模應用

更大的晶圓，更高的規(guī)模經(jīng)濟效益

一項新技術只有在保證生產(chǎn)效率的條件才能得到大規(guī)模應用,。在本世紀初,，半導體行業(yè)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(chǎn)品。Exagan的研發(fā)工作實現(xiàn)了這一點 ——在提高產(chǎn)品良率的同時還使用8吋晶圓加工芯片,。

Exagan負責協(xié)調PowerGaN系統(tǒng)和應用生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)品應用總監(jiān)Eric Moreau解釋說：“當我們開始創(chuàng)辦Exagan時,，就已經(jīng)掌握了生長外延層的專業(yè)知識。但是我們的目標是想超越行業(yè)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(zhàn),，我們將領先業(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)濟效益?！?br/>

如何利用好現(xiàn)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(chǎn)量很大的產(chǎn)品時,。在獲得Exagan的技術,、外延工藝和專業(yè)知識后， ST現(xiàn)在正在將這項技術融入現(xiàn)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(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鏈指日可待,。

ST和Exagan：技術的融合升級對行業(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)實價值,。展示電路性能是設計團隊解決這一挑戰(zhàn)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(tǒng)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(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)務部門經(jīng)理Roberto Crisafulli表示：“通過引進Exagan獨有的專業(yè)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(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,，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(chuàng)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(fā)展?jié)摿Σ豢尚∮U,。