工程師應該采用氮化鎵 （GaN）功率器件，還是為時尚早？部分答案在于我們收購了 Exagan 的多數股權，Exagan是一家擁有獨特外延生長專業(yè)知識的法國創(chuàng)新者，也是少數能夠在 8 英寸（200 毫米）晶圓上大規(guī)模部署和生產 GaN 功率器件的公司之一。 意法半導體對 Exagan 的投資是我們在復合功率半導體領域長期承諾的延續(xù)。事實上，我們最近推出了MASTERGAN1，這是第一個 600 V 系統(tǒng)級封裝在半橋拓撲中具有一個柵極驅動器和兩個增強型 GaN 晶體管。該設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 功率器件的設計和生產視為主流。

第一的重要性

氮化鎵是一種化合物 III/V 半導體材料。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”或 E 模式器件具有 P-GaN 通道，需要柵極電壓才能導通。兩者都越來越多地出現(xiàn)在消費、工業(yè)、電信和汽車應用中。

收養(yǎng)困境

盡管 GaN 器件越來越受歡迎，但當工程師遇到不情愿的經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)產品制造商可能會避免使用 GaN，因為擔心潛在的 PCB 重新設計或采購問題。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量的同時還使用了 8 英寸晶圓。正如 Exagan 負責協(xié)調 PowerGaN 系統(tǒng)和應用生態(tài)系統(tǒng)的產品和應用總監(jiān) Eric Moreau 所解釋的。

使用當前 CMOS 晶圓廠的重要性

無論采用何種技術，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、外延工藝和專業(yè)知識，ST 現(xiàn)在正在將這項技術應用到其當前的晶圓廠中，而無需對獨特的加工設備進行任何特別的投資。因此，植物可以享受更高的產量并更快地提高產量。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鏈。

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

今天的基礎

想要說服他們的經理的工程師必須展示 GaN 的價值主張。理論數字很好，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損耗和開關損耗，從而降低冷卻系統(tǒng)的材料清單。此外，更好的開關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 產品組合，因為我們將能夠同時提供 E 模式和 D 模式 GaN 產品，從而為未來十年制定清晰的路線圖。正如 ST GaN 業(yè)務部門經理 Roberto Crisafulli 所解釋的那樣。

未來的基礎

四十年前，硅在電子領域變得無處不在，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，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果，他們就無法證明推動技術向前發(fā)展的合理性。通過結合 ST 和 Exagan 的技術，我們?yōu)槲磥淼?GaN 投資和創(chuàng)新奠定了堅實的基礎。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