질화갈륨(GaN)은 에너지 갭이 3.4eV, 전자 이동도가 1,700cm2/Vs인 III-V 넓은 밴드 갭 화합물 반도체 소재인 반면, 실리콘은 에너지 갭이 1.1eV, 전자 이동도가 1,400cm2입니다. /대. 따라서 GaN의 고유한 특성으로 인해 장치는 더 높은 항복 전압과 더 낮은 온 상태 저항을 가질 수 있으며, 이는 동일한 크기의 실리콘 기반 장치에 비해 GaN 장치가 더 큰 부하를 처리하고 더 높은 에너지 효율을 가질 수 있음을 의미합니다. 자재 비용.

 

10년 넘게 업계 전문가와 분석가들은 GaN 기반 전력 스위칭 장치의 황금 시대가 도래할 것이라고 예측해 왔습니다. 널리 사용되는 MOSFET 실리콘 전력 장치에 비해 GaN 기반 전력 장치는 더 높은 효율과 더 강력한 전력 처리 기능을 제공합니다. 이러한 장점은 오늘날의 고전력, 고밀도 시스템, 빅 데이터 서버 및 컴퓨터에 꼭 필요한 것입니다.

 

선택의 딜레마

 

 

 

한편, GaN 장치는 점점 대중화되어 생활 필수품에 자주 등장하고 있습니다. 휴대폰 충전기와 같은 단말기 제품 사용자는 GaN의 비밀을 탐색하고 공개하기 시작했습니다. 다양한 언박싱 및 분해 영상이 소셜 소프트웨어에 등장하고 있습니다. 많은 대중 기술 매체들은 GaN 제품의 장점을 소개하기 위해 노력을 아끼지 않았습니다. 그러나 반면에 GaN 장치의 특성은 GaN 장치를 사용할 때 개발자가 게이트 구동, 전압 및 전류 슬루율, 전류 레벨, 잡음 소스 등에 더 많은 주의를 기울이는 등 보다 합리적이고 사려 깊은 설계가 필요하다는 것을 의미하기도 합니다. 커플링 레이아웃 켜기 및 끄기에 대한 요인의 영향을 고려하십시오. 결과적으로 일부 산업 제품 제조업체는 잠재적인 PCB 재설계 또는 소싱 문제에 대한 우려로 인해 여전히 GaN 사용을 기피할 것입니다.

 

ST와 Exagan: 기회 포착의 중요성

 

ST는 GaN의 개발 가능성을 확인한 후 이 복합재료에 대한 투자와 생태계 개발을 강화하기 시작했습니다.

 

2020년 3월, ST는 Exagan의 대주주 지분을 인수했습니다. Exagan은 독특한 에피택시층 성장 기술을 보유한 혁신적인 프랑스 회사로, 8인치(200mm) 웨이퍼에 GaN 칩을 대규모로 배치하고 제조할 수 있는 몇 안 되는 제조업체 중 하나입니다. ST의 Exagan 인수는 전력 화합물 반도체 기술에 대한 장기 투자 계획의 일환입니다. 이번 인수를 통해 ST는 자동차, 산업 및 소비자 등급 고주파 고전력 GaN 분야에서 기술 축적을 강화하고 개발 계획 및 사업 확장에 도움을 받을 것입니다. Exagan과 합병 계약을 체결함으로써 ST는 공핍 모드/공핍 모드(D-모드) 및 향상 모드/강화 모드(E-모드) GaN 장치를 모두 포함하는 제품 포트폴리오를 보유한 최초의 회사가 됩니다. D 모드 HEMT(고전자 이동도 트랜지스터)는 게이트에 전압을 가할 필요가 없는 자연 전도성 경로가 있는 "정상 온" 칩 구조를 사용합니다. D 모드는 일반적으로 캐스코드 구조를 통해 저전압 실리콘 MOSFET을 통합하는 GaN 기반 장치의 자연스러운 형태입니다. 반면, "정상적으로 켜진" 또는 E-모드 장치에는 켜기 위해 게이트에 전압을 적용해야 하는 P-GaN 채널이 있습니다. 두 모델 모두 소비자 가전, 산업, 통신 및 자동차 애플리케이션에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

 

같은 해 9월, ST는 업계 최초의 600V 시스템 인 패키지 MASTERGAN1을 출시했습니다. 이 제품 시리즈는 하프 브리지 토폴로지를 사용하여 게이트 드라이버와 2개의 향상된 GaN 트랜지스터를 통합하여 노트북에 비용 효율적인 전원 공급 장치를 제공합니다. , 휴대폰 및 기타 제품 새로운 옵션인 이 제품은 시장에서 두 개의 향상된 GaN 트랜지스터를 통합한 최초이자 유일한 시스템 인 패키지입니다.

 

ST와 Exagan: GaN의 대규모 적용 가속화

 

더 큰 웨이퍼, 더 높은 규모의 경제

 

새로운 기술은 생산 효율성이 보장되어야만 대규모로 적용할 수 있습니다. 금세기 초에도 반도체 업계는 GaN 결정에 결함이 많아 장치를 사용할 수 없게 만드는 문제를 해결하기 위해 계속 노력하고 있었으며, 이를 통해 어느 정도 성과를 거두었고 상황이 어느 정도 개선되었습니다. 그러나 제조 공정이 지속적으로 개선되어야만 엔지니어가 GaN 전력 장치를 사용하여 제품을 현실적으로 설계할 수 있습니다. Exagan의 R&D 작업은 8인치 웨이퍼를 사용하여 칩을 처리하는 동시에 제품 수율을 향상함으로써 이를 달성합니다.

 

PowerGaN 시스템과 애플리케이션 생태계를 조정하는 Exagan의 제품 애플리케이션 이사인 Eric Moreau는 "Exagan을 시작했을 때 우리는 이미 에피택시 레이어 성장에 대한 전문 지식을 갖고 있었습니다. 그러나 우리의 목표는 업계 표준을 뛰어넘는 것이었습니다. 당시에는. 모두 6인치(150mm) 웨이퍼를 사용하고 있는데, 8인치 웨이퍼의 난관을 극복한다면 업계를 선도하고 대규모 시장 진출에 필요한 제품 수율과 규모의 경제를 제공할 것”이라고 말했다.

 

기존 CMOS 팹을 효과적으로 활용하는 방법

 

어떤 기술을 사용하든 엔지니어가 가장 먼저 고려해야 할 사항은 특히 대량 제품을 설계할 때 제조업체의 공급 보증을 얻는 것입니다. Exagan의 기술, 에피택셜 프로세스 및 전문 지식을 인수한 ST는 이제 특수 제조 장비에 막대한 투자를 하지 않고도 기존 팹에 이 기술을 통합하고 있습니다. 공장에서는 더 높은 제품 수율을 달성하고 생산량을 더 빠르게 늘릴 수 있습니다. 이는 보다 비용 효율적인 솔루션과 보다 안정적인 공급망이 곧 실현될 것임을 의미합니다.

 

ST와 Exagan: 기술의 통합과 업그레이드가 업계에 미치는 영향

 

축적은 되었지만 성공은 거의 없음

 

엔지니어는 관리자가 GaN을 채택하도록 설득하려면 GaN의 가치 제안을 입증해야 합니다. 이론적 매개변수도 중요하지만 의사결정자는 실제 가치에 더 많은 관심을 기울입니다. 회로 성능을 입증하는 것은 설계 팀이 이 문제를 해결하는 한 가지 방법입니다. 실제로 GaN 장치는 전도 및 스위칭 손실을 크게 줄여 냉각 시스템의 BOM 비용을 절감할 수 있습니다. 또한 더 나은 스위칭 성능은 더 작고 가벼운 수동 부품, 즉 커패시터와 인덕터를 사용할 수 있음을 의미합니다. 전력 밀도가 높을수록 엔지니어는 더욱 컴팩트한 시스템(1/4 크기)을 개발할 수 있습니다. 따라서 실리콘 장치(MOSFET 또는 IGBT)보다 가격이 비싸더라도 GaN 장치가 제공하는 이점은 여전히 ​​경쟁 우위를 제공합니다.

 

Exagan 인수를 통해 ST는 강력한 GaN IP 포트폴리오를 보유하고 E형 및 D형 GaN 제품을 모두 제공할 수 있게 되며 향후 10년 동안 명확한 제품 개발 로드맵을 수립할 수 있게 됩니다. ST의 GaN 사업부 관리자인 Roberto Crisafulli는 "ST는 Exagan의 고유한 전문 지식과 기술을 도입함으로써 GaN 기술 분야에서 입지를 더욱 공고히 했습니다. 이번 움직임은 새로운 복합 전력 반도체 분야에서 ST의 무능함을 강화하는 데 도움이 될 것입니다. 논란의 세계 지도자.”

 

선구자

 

실리콘은 40년 전 반도체 산업이 트랜지스터를 만드는 데 실리콘을 사용하기 시작하면서 전자 제품에 널리 사용되었습니다. 실리콘 장치의 혁신이 여전히 우세한 것은 바로 이러한 기반 때문입니다. 제조업체가 기술에서 긍정적인 결과를 얻지 못한다면 해당 기술을 발전시킬 이유를 찾을 수 없습니다. ST는 Exagan의 기술을 통합함으로써 향후 GaN 투자와 혁신을 위한 견고한 기반을 마련할 것이라고 확신합니다. 요컨대, 오늘날의 GaN은 40년 전의 실리콘이며, 아직 초기 단계이지만 개발 가능성을 과소평가할 수는 없습니다.