Super “Napájení” 5G – nitrid gallia(GaN)
Svět je nadšený z technologie 5G. 5G bude poskytovat bleskové rychlosti 20 krát rychlejší než 4G LTE a otevírá řadu inovativních aplikací a příležitostí, které přesahují naše představy. Vyžaduje to však také přepracování stávající síťové infrastruktury – zejména aplikací RF napájení. Technologie GaN je klíčem k řízení tohoto nového typu infrastruktury.
Nitrid gallia (GaN) je relativní nový polovodič pro komerční aplikace. Jeho energetická účinnost, hustota výkonu, a schopnost zvládnout širší frekvenční rozsah je ideální pro masivní základnové stanice MIMO.
Dnes, budeme diskutovat o hodnotě GaN jako polovodiče, jeho distribuce v průmyslovém řetězci, klíčové výzvy výrobního procesu, a co můžeme očekávat od GaN aplikací.
1 Hodnota polovodičů GaN
Gallium nitrid (GaN) je širokopásmový složený polovodičový materiál s následujícími vlastnostmi.
(1) Vysoká intenzita elektrického pole výrazně zlepšuje hustotu proudu a odolnost napěťových kapacit energetických zařízení s nitridem galia, a zároveň snížit ztrátu vedení.
(2) Široká zakázaná šířka pásma a velká zakázaná šířka pásma výrazně snižují svodový proud polovodičového zařízení GaN a činí jej odolným vůči záření. Ve stejnou dobu, širší pásmová mezera znamená, že nitrid galia odolá vysokému napětí, a vysoké napětí znamená, že aplikace s vysokým výkonem, lze dosáhnout vysoké hustoty výstupní energie a vysoké teplotní odolnosti.
(3) Vysoká tepelná vodivost a vynikající odvod tepla, což znamená, že integrace a hustota výkonu zařízení s nitridem galia může být vyšší než u tradičních součástí.
(4) Drift nasycení elektronů je rychlý a může pracovat na vyšších frekvencích.
(5) Dielektrická konstanta je malá, který může snížit svodový proud integrovaného obvodu, snížit kapacitní efekt mezi dráty, a snížit zahřívání integrovaného obvodu.
(6) Chemické vlastnosti jsou stabilní a nesnadno podléhají korozi.
(7) Struktura podobná wurtzitu, vysoká tvrdost.
Tyto vlastnosti přivedly nitrid galia do 5G RF reflektoru. GaN může lépe podporovat nízkou hmotnost elektronických produktů. Například, Počítačové napájecí adaptéry využívající GaN tranzistory jsou menší a lehčí než nabíječky, které jsou dnes běžné.
Podle výpočtů třetích stran, po použití zařízení GaN, standardní nabíječky mobilních telefonů mohou zhubnout až o 40%. Nebo vydejte větší výkon při stejné velikosti, podobného zlepšení výkonu lze dosáhnout z hlediska energetické účinnosti a hustoty výkonu, které jsou vhodné pro různé elektronické produkty, jako jsou spotřebitelské, průmyslový, a automobilový průmysl.
2 GaN polovodičový průmyslový řetězec
Články v řetězci GaN polovodičového průmyslu jsou: GaN monokrystalový substrát → Epitaxe materiálu GaN → design zařízení → výroba zařízení.
(1) GaN monokrystalický substrát
Substrátům GaN dominují především japonské společnosti, a japonská Sumitomo Electric má podíl na trhu více než 90%.
(2) GaN epitaxní plátek
Společnosti související s epitaxními pláty GaN zahrnují zejména Epi-GaN v Belgii, IQE ve Spojeném království, a NTT-AT v Japonsku. Mezi čínské výrobce patří Suzhou Jingzhan, Suzhou Nenghua a Century Jinguang.
(3) GaN zařízení
Z hlediska návrhářů zařízení GaN, existují EPC, MA-COM, Transphom, Navitas ve Spojených státech, Dialog v Německu, a Ampleon, kterou získal čínský kapitál, v Číně.
Mezi globální nezávislé dodavatele designu a výroby (IDM) zařízení GaN RF, Sumitomo Electric a Cree jsou předními společnostmi v oboru, s podílem na trhu větším než 30%, následuje Qorvo a MACOM. Sumitomo Electric má velký podíl na trhu v oblasti bezdrátové komunikace. Stala se hlavním dodavatelem Huawei a největším dodavatelem radiofrekvenčních zařízení Huawei GaN. Dále, ve Francii jsou Exagan, NXP v Nizozemsku, Infineon v Německu, Mitsubishi Electric v Japonsku, a II-VI ve Spojených státech.
3 Hlavní výrobní procesy zařízení GaN
Jedním z nich je proces nitridu galia GaN RF založený na karbidu křemíku SiC jako substrátu, který používá Qorvo a většina výrobců. Jedním z nich je radiofrekvenční proces nitridu galia GaN, kterému dominuje Macom na bázi křemíku Si jako substrátu.
Oba RF procesy mají své klady a zápory. Podle Qorvo, proces GaN RF na bázi karbidu křemíku GaN má vyšší hustotu výkonu a lepší tepelnou vodivost než GaN na bázi GaN na křemíku.
4 Problémy k řešení
①Výrobní proces polovodičových materiálů z nitridu galia je poměrně složitý a výtěžnost je nižší než u tradičních křemíkových polovodičových materiálů.
②Cena polovodičových materiálů z nitridu galia je vysoká, a cena MOS elektronek s použitím polovodičových materiálů z nitridu galia je téměř 20 krát vyšší než u tradičních křemíkových polovodičových materiálů.
③ Velké množství výrobního procesu polovodičů z nitridu galia a patentů součástek je v rukou zemí, jako je Evropa, Amerika, Japonsko a Jižní Korea, a značný počet klíčových komponent závisí také na dovozu.
5 Aplikace nitridu galia
Komunikační pole: 5G vysoce výkonná základnová stanice GaN výkonový zesilovač se používá hlavně v 5G vysoce výkonné základnové stanici, který řeší problém malých plošných, ale relativně koncentrovaných požadavků na datový provoz v 5G mobilní síti. Monolitický výkonový zesilovač 5G základnové stanice GaN s milimetrovými vlnami má vlastnosti ultra velké šířky pásma a ultra nízké latence..
Výkonová polovodičová pole, jako jsou elektrická vozidla, fotovoltaika a chytré sítě: V současnosti, IGBT používané v elektrických vozidlech, fotovoltaika, chytré sítě a další obory jsou materiály na bázi křemíku. V budoucnu, Technologie nitridu galia přinese další průlomy a pronikne do oblasti IGBT polovodičů. Dále, mnoho řešení pro rychlé nabíjení mobilních telefonů také používá roztoky z nitridu galia.
Zejména při napětí kolem 600V, gallium nitrid má zjevné výhody v řízení spotřeby, výroba energie a výkon, díky čemuž jsou energetické produkty materiálů z nitridu galia tenčí a účinnější.
A nabíjecí zástrčka GaN má malé rozměry a vysoký výkon, a má příležitost v budoucnu sjednotit trh nabíječek mobilních telefonů a komunikačních sil.
Vojenské pole: Byl široce používán v různých vojenských radarových zařízeních, zejména palubní aktivní sfázovaná radarová zařízení nových stíhaček.
Elektronické pole: Gallium nitridové tranzistory jsou vhodné pro vysoké frekvence, případy vysokého napětí a vysoké teploty. Založeno na tranzistorech z nitridu galia namísto MOSFETů na bázi křemíku, Vyrábějí se pevně spínané polomůstkové DC/DC napájecí moduly s funkcí synchronního usměrnění.
Použití tranzistorů GaN umožňuje DC/DC napájecím modulům pracovat na vyšších frekvencích bez výrazného poklesu účinnosti, ve stejnou dobu, pro dosažení nízkého zvlnění výstupu lze použít malý LC filtr, který má výhody malých rozměrů, vysoká účinnost, malé zvlnění a rychlá dynamická odezva.
