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ST和Exagan携手开启GaN发展新章节

作者:时间:2021-08-22来源:CTIMES收藏

氮化镓()是一种III/V族宽能隙化合物半导体材料,能隙为3.4eV,电子迁移率为1,700 cm2/Vs,而硅的能隙和电子迁移率则分别为1.1 eV和1,400cm2/Vs。因此,的固有特性,让组件具有更高的击穿电压和更低的通态电阻,亦即相较于同尺寸的硅基组件,可处理更大的负载、效能更高,而且物料清单成本更低。
在过去的十多年里,产业专家和分析人士一直在预测,GaN功率开关组件的黄金时期即将到来。相较于应用广泛的MOSFET硅功率组件,GaN功率组件具备更高的效率和更强的功耗处理能力,这些优势正是当下高功耗、高密度系统、巨量数据服务器和计算机所需要的。

选用困境
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本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202108/427729.htm

图一 : GaN功率组件具备高效率和强大功耗处理能力的优势。

一方面随着GaN组件人气逐渐提升,而且频繁地出现在日常用品当中,诸如手机充电器等终端产品的用户都开始探索并了解GaN,开箱、拆解影片在社群软件中持续曝光,而许多科技媒体更是不遗余力地介绍GaN产品各项优势。
但另一方面,GaN组件的特性也意味着在使用它时,开发人员需要有更缜密的设计,例如闸极驱动,电压和电流转换速率,电流等级,噪声源和耦合规划等对于导通和关断所带来的影响。因此,某些工业产品制造商仍会因担心潜在PCB重新设计或采购问题而避免使用GaN。

把握先机的重要性
在了解到GaN的发展潜力后,开始强化在此复合材料上的投入和生态系统的研发。
2020年3月,意法半导体()收购了的大部分股权。是法国的一家拥有独特的外延层生长技术的创新型企业,而且是为数不多之有能力在8吋(200 mm)晶圆上大规模部署并制造GaN芯片的厂商。

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图二 : 并购是其长期投资功率化合物半导体技术计划的一部分。

ST并购Exagan是其长期投资功率化合物半导体技术计划的一部分。此次收购提升了ST在车用、工业和消费性高频大功率GaN的技术累积,其有助于开发计划和业务扩大,透过与Exagan签署的协议,ST将成为一家提供耗尽模式 / depletion-mode(D模式)和加强模式 / enhancement-mode(E模式)两种GaN组件产品组合的公司。
D模式高电子迁移率晶体管(HEMT)采用「常开」芯片结构,具有一条自然导电通道,无需在闸极上施加电压。D模式则是GaN基组件的自然存在形式,一般是透过共源共闸结构来整合低压硅MOSFET。另一方面,「常开」或E模式组件具有一条P-GaN沟道,需要在闸极施加电压才能导通。这两种模式都越来越频繁地出现在消费性、工业、电信和汽车应用中。
同年9月,ST推出首款MASTERGAN1,该系列产品采用半桥拓扑整合一个闸极驱动器和两个加强式GaN晶体管,并且是目前市场上首见整合两个加强式GaN晶体管的系统级封装,为设计高成本效益的笔记本电脑、手机等产品电源提供新的选择。

加速GaN的大规模应用
更大的晶圆,更高的规模经济效益
一项新技术只有在确保生产效率的条件才能得到大规模应用。在本世纪初,当半导体产业还在努力解决GaN晶体中因大量缺陷而导致组件无法应用的问题,在某种程度上取得一些成就并改善了情况。
然而,只有制程不断优化,工程师才能使用GaN功率组件来设计产品。Exagan的研发解决了这一问题 —在提升产品良率的同时,使用8吋晶圆加工芯片。
Exagan负责协调PowerGaN系统和应用生态系统的产品应用总监Eric Moreau表示,当开始创办Exagan时,就已经掌握了生长外延层的专业知识。但是Exagan的目标是想超越产业标准。当时,大家都在使用6吋(150mm)晶圆。如果能够克服8吋晶圆的挑战,Exagan将能提供大规模市场渗透所需的产品良率和规模经济效益。

如何利用现有的CMOS晶圆厂
无论采用哪一种技术,工程师第一个考虑的是取得厂商的供货保证,特别当设计产量很大的产品。在获得Exagan的技术、外延制程技术和专业知识后,ST现在正在将这项技术整合至现有晶圆厂,而无需投入巨资采购专门的制造设备。工厂可以获得更高的产品良率,更快速地提升产能—这意味着成本效益更高的解决方案和可靠性更高的供应链指日可待。

技术融合升级对于产业的意义
厚积薄发
工程师想要说服管理者采用GaN,就必须证明GaN的价值主张。理论参数固然重要,但决策者更看重现实价值。有效展示电路性能是设计团队解决这一挑战的方法之一。事实上,GaN组件可以大幅降低导通和开关损耗,进而降低冷却系统的物料列表成本。
此外,更佳的开关性能就能使用更小、更轻的无源组件,即电容和电感。更高的功率密度则能让工程师研发出更功率配置更紧密的系统(尺寸可缩小到四分之一)。因此,即使硅组件(MOSFET或IGBT)成本较高,GaN组件所能带来的利益仍然让其在竞争中处于优势。
透过收购Exagan,ST将拥有强大的GaN IP组合,能够同时提供E型和D型两种GaN产品,规划明确之未来十年产品开发蓝图。ST GaN业务部门经理Roberto Crisafulli表示,「透过引进Exagan独有的专业知识技术,ST将进一步巩固其在GaN技术领域的地位。此举将有助于强化ST在新型复合材料功率半导体领域之世界领先地位。」

开路先锋
四十年前,随着半导体产业开始用硅制造晶体管,硅被广泛用于电子产品。正是有了这样一个基础,硅组件的创新至今方兴未艾。
如果制造商还看不到一项技术某些积极的成果,他们就不能找到合适的理由推动此项技术。透过整合和Exagan的技术后,ST有信心为未来的GaN投资和创新奠定稳固的基础。简而言之,今日的GaN就是40年前的硅,目前虽然还只是锋芒初绽,但其发展潜力不可小觑。



关键词: ST Exagan GaN

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