ST和Exagan攜手開啟GaN發展新章節

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，而硅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，讓組件具有更高的擊穿電壓和更低的通態電阻，亦即相較于同尺寸的硅基組件，GaN可處理更大的負載、效能更高，而且物料清單成本更低。
在過去的十多年里，產業專家和分析人士一直在預測，GaN功率開關組件的黃金時期即將到來。相較于應用廣泛的MOSFET硅功率組件，GaN功率組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、巨量數據服務器和計算機所需要的。

選用困境
 

圖一 : GaN功率組件具備高效率和強大功耗處理能力的優勢。

一方面隨著GaN組件人氣逐漸提升，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用戶都開始探索并了解GaN，開箱、拆解影片在社群軟件中持續曝光，而許多科技媒體更是不遺余力地介紹GaN產品各項優勢。
但另一方面，GaN組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，噪聲源和耦合規劃等對于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PCB重新設計或采購問題而避免使用GaN。

把握先機的重要性
在了解到GaN的發展潛力后，ST開始強化在此復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）晶圓上大規模部署并制造GaN芯片的廠商。

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

ST并購Exagan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，其有助于開發計劃和業務擴大，透過與Exagan簽署的協議，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組件產品組合的公司。
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，無需在閘極上施加電壓。D模式則是GaN基組件的自然存在形式，一般是透過共源共閘結構來整合低壓硅MOSFET。另一方面，「常開」或E模式組件具有一條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，該系列產品采用半橋拓撲整合一個閘極驅動器和兩個加強式GaN晶體管，并且是目前市場上首見整合兩個加強式GaN晶體管的系統級封裝，為設計高成本效益的筆記本電腦、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組件無法應用的問題，在某種程度上取得一些成就并改善了情況。
然而，只有制程不斷優化，工程師才能使用GaN功率組件來設計產品。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
無論采用哪一種技術，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、外延制程技術和專業知識后，ST現在正在將這項技術整合至現有晶圓廠，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。

技術融合升級對于產業的意義
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。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組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列表成本。
此外，更佳的開關性能就能使用更小、更輕的無源組件，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，即使硅組件（MOSFET或IGBT）成本較高，GaN組件所能帶來的利益仍然讓其在競爭中處于優勢。
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。此舉將有助于強化ST在新型復合材料功率半導體領域之世界領先地位?！?br/>
開路先鋒
四十年前，隨著半導體產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，硅組件的創新至今方興未艾。
如果制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的技術后，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年前的硅，目前雖然還只是鋒芒初綻，但其發展潛力不可小覷。