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ST和Exagan攜手開啟GaN發展新章節
 

【作者: 意法半導體】   2021年08月17日 星期二

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氮化鎵(GaN)是一種III/V族寬能隙化合物半導體材料,能隙為3.4eV,電子遷移率為1,700 cm2/Vs,而矽的能隙和電子遷移率則分別為1.1 eV和1,400cm2/Vs。因此,GaN的固有特性,讓元件具有更高的擊穿電壓和更低的通態電阻,亦即相較於同尺寸的矽基元件,GaN可處理更大的負載、效能更高,而且物料清單成本更低。


在過去的十多年裡,產業專家和分析人士一直在預測,GaN功率開關元件的黃金時期即將到來。相較於應用廣泛的MOSFET矽功率元件,GaN功率元件具備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、巨量資料伺服器和電腦所需要的。


選用困境

圖一 :  GaN功率元件具備高效率和強大功耗處理能力的優勢。
圖一 : GaN功率元件具備高效率和強大功耗處理能力的優勢。

一方面隨著GaN元件人氣逐漸提升,而且頻繁地出現在日常用品當中,諸如手機充電器等終端產品的使用者都開始探索並了解GaN,開箱、拆解影片在社群軟體中持續曝光,而許多科技媒體更是不遺餘力地介紹GaN產品各項優勢。


但另一方面,GaN元件的特性也意味著在使用它時,開發人員需要有更縝密的設計,例如閘極驅動,電壓和電流轉換速率,電流等級,噪音源和耦合規劃等對於導通和關斷所帶來的影響。因此,某些工業產品製造商仍會因擔心潛在PCB重新設計或採購問題而避免使用GaN。


把握先機的重要性

在了解到GaN的發展潛力後,ST開始強化在此複合材料上的投入和生態系統的研發。


2020年3月,意法半導體(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,而且是為數不多之有能力在8吋(200 mm)晶圓上大規模部署並製造GaN晶片的廠商。



圖二 : ST併購Exagan是其長期投資功率化合物半導體技術計畫的一部分。
圖二 : ST併購Exagan是其長期投資功率化合物半導體技術計畫的一部分。

ST併購Exagan是其長期投資功率化合物半導體技術計畫的一部分。此次收購提升了ST在車用、工業和消費性高頻大功率GaN的技術累積,其有助於開發計畫和業務擴大,透過與Exagan簽署的協定,ST將成為一家提供耗盡模式 / depletion-mode(D模式)和加強模式 / enhancement-mode(E模式)兩種GaN元件產品組合的公司。


D模式高電子遷移率電晶體(HEMT)採用「常開」晶片結構,具有一條自然導電通道,無需在閘極上施加電壓。D模式則是GaN基元件的自然存在形式,一般是透過共源共閘結構來整合低壓矽MOSFET。另一方面,「常開」或E模式元件具有一條P-GaN溝道,需要在閘極施加電壓才能導通。這兩種模式都越來越頻繁地出現在消費性、工業、電信和汽車應用中。


同年9月,ST推出首款MASTERGAN1,該系列產品採用半橋拓撲整合一個閘極驅動器和兩個加強式GaN電晶體,並且是目前市場上首見整合兩個加強式GaN電晶體的系統級封裝,為設計高成本效益的筆記型電腦、手機等產品電源提供新的選擇。


加速GaN的大規模應用

更大的晶圓,更高的規模經濟效益

一項新技術只有在確保生產效率的條件才能得到大規模應用。在本世紀初,當半導體產業還在努力解決GaN晶體中因大量缺陷而導致元件無法應用的問題,在某種程度上取得一些成就並改善了情況。


然而,只有製程不斷優化,工程師才能使用GaN功率元件來設計產品。Exagan的研發解決了這一問題 —在提升產品良率的同時,使用8吋晶圓加工晶片。


Exagan負責協調PowerGaN系統和應用生態系統的產品應用總監Eric Moreau表示,當開始創辦Exagan時,就已經掌握了生長外延層的專業知識。但是Exagan的目標是想超越產業標準。當時,大家都在使用6吋(150mm)晶圓。如果能夠克服8吋晶圓的挑戰,Exagan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。


如何利用現有的CMOS晶圓廠

無論採用哪一種技術,工程師第一個考慮的是取得廠商的供貨保證,特別當設計產量很大的產品。在獲得Exagan的技術、外延製程技術和專業知識後,ST現在正在將這項技術整合至現有晶圓廠,而無需投入鉅資採購專門的製造設備。工廠可以獲得更高的產品良率,更快速地提升產能—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。


技術融合升級對於產業的意義

厚積薄發

工程師想要說服管理者採用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。有效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元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,更佳的開關性能就能使用更小、更輕的無源元件,即電容和電感。更高的功率密度則能讓工程師研發出更功率配置更緊密的系統(尺寸可縮小到四分之一)。因此,即使矽元件(MOSFET或IGBT)成本較高,GaN元件所能帶來的利益仍然讓其在競爭中處於優勢。


透過收購Exagan,ST將擁有強大的GaN IP組合,能夠同時提供E型和D型兩種GaN產品,規劃明確之未來十年產品開發藍圖。ST GaN業務部門經理Roberto Crisafulli表示,「透過引進Exagan獨有的專業知識技術,ST將進一步鞏固其在GaN技術領域的地位。此舉將有助於強化ST在新型複合材料功率半導體領域之世界領先地位。」


開路先鋒

四十年前,隨著半導體產業開始用矽製造電晶體,矽被廣泛用於電子產品。正是有了這樣一個基礎,矽元件的創新至今方興未艾。


如果製造商還看不到一項技術某些積極的成果,他們就不能找到合適的理由推動此項技術。透過整合和Exagan的技術後,ST有信心為未來的GaN投資和創新奠定穩固的基礎。簡而言之,今日的GaN就是40年前的矽,目前雖然還只是鋒芒初綻,但其發展潛力不可小覷。


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