氮化鎵（GaN）是一種III／V族寬能隙化合物半導(dǎo)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(tài)電阻，亦即相較於同尺寸的矽基元件，GaN可處理更大的負(fù)載、效能更高，而且物料清單成本更低。
在過去的十多年裡，產(chǎn)業(yè)專家和分析人士一直在預(yù)測，GaN功率開關(guān)元件的黃金時(shí)期即將到來。相較於應(yīng)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(qiáng)的功耗處理能力，這些優(yōu)勢正是當(dāng)下高功耗、高密度系統(tǒng)、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(qiáng)大功耗處理能力的優(yōu)勢。 |
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一方面隨著GaN元件人氣逐漸提升，而且頻繁地出現(xiàn)在日常用品當(dāng)中，諸如手機(jī)充電器等終端產(chǎn)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(xù)曝光，而許多科技媒體更是不遺餘力地介紹GaN產(chǎn)品各項(xiàng)優(yōu)勢。
但另一方面，GaN元件的特性也意味著在使用它時(shí)，開發(fā)人員需要有更縝密的設(shè)計(jì)，例如閘極驅(qū)動(dòng)，電壓和電流轉(zhuǎn)換速率，電流等級，噪音源和耦合規(guī)劃等對於導(dǎo)通和關(guān)斷所帶來的影響。因此，某些工業(yè)產(chǎn)品製造商仍會因擔(dān)心潛在PCB重新設(shè)計(jì)或採購問題而避免使用GaN。
把握先機(jī)的重要性
在了解到GaN的發(fā)展?jié)摿︶幔琒T開始強(qiáng)化在此複合材料上的投入和生態(tài)系統(tǒng)的研發(fā)。
2020年3月，意法半導(dǎo)體(ST)收購了Exagan的大部分股權(quán)。Exagan是法國的一家擁有獨(dú)特的外延層生長技術(shù)的創(chuàng)新型企業(yè)，而且是為數(shù)不多之有能力在8吋（200 mm）晶圓上大規(guī)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(dǎo)體技術(shù)計(jì)畫的一部分。 |
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ST併購Exagan是其長期投資功率化合物半導(dǎo)體技術(shù)計(jì)畫的一部分。此次收購提升了ST在車用、工業(yè)和消費(fèi)性高頻大功率GaN的技術(shù)累積，其有助於開發(fā)計(jì)畫和業(yè)務(wù)擴(kuò)大，透過與Exagan簽署的協(xié)定，ST將成為一家提供耗盡模式 / depletion-mode（D模式）和加強(qiáng)模式 / enhancement-mode（E模式）兩種GaN元件產(chǎn)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(jié)構(gòu)，具有一條自然導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(dǎo)通。這兩種模式都越來越頻繁地出現(xiàn)在消費(fèi)性、工業(yè)、電信和汽車應(yīng)用中。
同年9月，ST推出首款MASTERGAN1，該系列產(chǎn)品採用半橋拓?fù)湔弦粋€(gè)閘極驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)加強(qiáng)式GaN電晶體，並且是目前市場上首見整合兩個(gè)加強(qiáng)式GaN電晶體的系統(tǒng)級封裝，為設(shè)計(jì)高成本效益的筆記型電腦、手機(jī)等產(chǎn)品電源提供新的選擇。
加速GaN的大規(guī)模應(yīng)用
更大的晶圓，更高的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益
一項(xiàng)新技術(shù)只有在確保生產(chǎn)效率的條件才能得到大規(guī)模應(yīng)用。在本世紀(jì)初，當(dāng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)還在努力解決GaN晶體中因大量缺陷而導(dǎo)致元件無法應(yīng)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(yōu)化，工程師才能使用GaN功率元件來設(shè)計(jì)產(chǎn)品。Exagan的研發(fā)解決了這一問題 —在提升產(chǎn)品良率的同時(shí)，使用8吋晶圓加工晶片。
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)品應(yīng)用總監(jiān)Eric Moreau表示，當(dāng)開始創(chuàng)辦Exagan時(shí)，就已經(jīng)掌握了生長外延層的專業(yè)知識。但是Exagan的目標(biāo)是想超越產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時(shí)，大家都在使用6吋（150mm）晶圓。如果能夠克服8吋晶圓的挑戰(zhàn)，Exagan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(jì)效益。
如何利用現(xiàn)有的CMOS晶圓廠
無論採用哪一種技術(shù)，工程師第一個(gè)考慮的是取得廠商的供貨保證，特別當(dāng)設(shè)計(jì)產(chǎn)量很大的產(chǎn)品。在獲得Exagan的技術(shù)、外延製程技術(shù)和專業(yè)知識後，ST現(xiàn)在正在將這項(xiàng)技術(shù)整合至現(xiàn)有晶圓廠，而無需投入鉅資採購專門的製造設(shè)備。工廠可以獲得更高的產(chǎn)品良率，更快速地提升產(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(yīng)鏈指日可待。
技術(shù)融合升級對於產(chǎn)業(yè)的意義
厚積薄發(fā)
工程師想要說服管理者採用GaN，就必須證明GaN的價(jià)值主張。理論參數(shù)固然重要，但決策者更看重現(xiàn)實(shí)價(jià)值。有效展示電路性能是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)解決這一挑戰(zhàn)的方法之一。事實(shí)上，GaN元件可以大幅降低導(dǎo)通和開關(guān)損耗，進(jìn)而降低冷卻系統(tǒng)的物料清單成本。
此外，更佳的開關(guān)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(fā)出更功率配置更緊密的系統(tǒng)（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(yōu)勢。
透過收購Exagan，ST將擁有強(qiáng)大的GaN IP組合，能夠同時(shí)提供E型和D型兩種GaN產(chǎn)品，規(guī)劃明確之未來十年產(chǎn)品開發(fā)藍(lán)圖。ST GaN業(yè)務(wù)部門經(jīng)理Roberto Crisafulli表示，「透過引進(jìn)Exagan獨(dú)有的專業(yè)知識技術(shù)，ST將進(jìn)一步鞏固其在GaN技術(shù)領(lǐng)域的地位。此舉將有助於強(qiáng)化ST在新型複合材料功率半導(dǎo)體領(lǐng)域之世界領(lǐng)先地位。」
開路先鋒
四十年前，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開始用矽製造電晶體，矽被廣泛用於電子產(chǎn)品。正是有了這樣一個(gè)基礎(chǔ)，矽元件的創(chuàng)新至今方興未艾。
如果製造商還看不到一項(xiàng)技術(shù)某些積極的成果，他們就不能找到合適的理由推動(dòng)此項(xiàng)技術(shù)。透過整合和Exagan的技術(shù)後，ST有信心為未來的GaN投資和創(chuàng)新奠定穩(wěn)固的基礎(chǔ)。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(fā)展?jié)摿Σ豢尚∮U。
