Den super “strøm” af 5G – galliumnitrid(GaN)
Verden er begejstret for 5G-teknologi. 5G vil levere lynhurtige hastigheder 20 gange hurtigere end 4G LTE og åbner op for et væld af innovative applikationer og muligheder ud over vores fantasi. Men det kræver også en eftersyn af eksisterende netværksinfrastruktur - især RF-strømapplikationer. GaN-teknologi er nøglen til at drive denne nye type infrastruktur.
Galliumnitrid (GaN) er en relativt ny halvleder til kommercielle applikationer. Dens strømeffektivitet, effekttæthed, og evnen til at håndtere et bredere frekvensområde gør den ideel til massive MIMO-basestationer.
I dag, vi skal diskutere værdien af GaN som en halvleder, dets distribution i industrikæden, centrale produktionsprocesudfordringer, og hvad vi kan forvente af GaN-applikationer.
1 Værdien af GaN-halvledere
Galliumnitrid (GaN) er et sammensat halvledermateriale med bred båndgab med følgende egenskaber.
(1) Den høje elektriske gennembrudsstyrke forbedrer i høj grad strømtætheden og modstår spændingskapaciteten for galliumnitrid-energienheder, samtidig med at ledningstabet reduceres.
(2) Det brede båndgab og den store forbudte båndbredde reducerer i høj grad lækstrømmen fra GaN-halvlederenheden og gør den modstandsdygtig over for stråling. På samme tid, det bredere båndgab betyder, at galliumnitrid kan modstå højspænding, og højspænding betyder, at højeffektapplikationer, høj udgangsenergitæthed og høj temperaturmodstand kan opnås.
(3) Høj varmeledningsevne og fremragende varmeafledningsevne, hvilket betyder, at integrationen og effekttætheden af galliumnitrid-enheder kan være højere end traditionelle komponenters.
(4) Elektronmætningsdriften er hurtig og kan arbejde ved højere frekvenser.
(5) Dielektrisk konstant er lille, som kan reducere lækstrømmen af det integrerede kredsløb, reducere kapacitanseffekten mellem ledningerne, og reducere opvarmningen af det integrerede kredsløb.
(6) De kemiske egenskaber er stabile og ikke lette at korrodere.
(7) Wurtzite-lignende struktur, høj hårdhed.
Disse egenskaber har drevet galliumnitrid ind i 5G RF-spotlighten. GaN kan bedre understøtte letvægten af elektroniske produkter. For eksempel, PC-strømadaptere, der bruger GaN-transistorer, er mindre og lettere end opladere, der er almindelige i dag.
Ifølge tredjepartsberegninger, efter brug af GaN-enheder, standard mobiltelefonopladere kan tabe sig med op til 40%. Eller output mere strøm under samme størrelsesforhold, lignende præstationsforbedringer kan opnås med hensyn til energieffektivitet og effekttæthed, som er velegnede til forskellige elektroniske produkter såsom forbruger, industriel, og bilindustrien.
2 GaN halvlederindustrikæde
Linkene i GaN-halvlederindustriens kæde er: GaN enkeltkrystalsubstrat → GaN-materialeepitaksi → enhedsdesign → enhedsfremstilling.
(1) GaN enkelt krystal substrat
GaN-substrater er hovedsageligt domineret af japanske virksomheder, og Japans Sumitomo Electric har en markedsandel på mere end 90%.
(2) GaN epitaksial wafer
GaN epitaxial wafer-relaterede virksomheder omfatter hovedsageligt Epi-GaN i Belgien, IQE i Storbritannien, og NTT-AT i Japan. Kinesiske producenter omfatter Suzhou Jingzhan, Suzhou Nenghua og Century Jingguang.
(3) GaN enheder
Med hensyn til GaN-enhedsdesignere, der er EPC, MA-COM, Transphom, Navitas i USA, Dialog i Tyskland, og Ampleon, som blev erhvervet af kinesisk kapital, i Kina.
Blandt de globale uafhængige design- og produktionsleverandører (IDM'er) af GaN RF-enheder, Sumitomo Electric og Cree er de førende virksomheder i branchen, med en markedsandel på mere end 30%, efterfulgt af Qorvo og MACOM. Sumitomo Electric har en stor markedsandel inden for trådløs kommunikation. Det er blevet Huaweis kerneleverandør og den største leverandør af Huaweis GaN radiofrekvensenheder. Ud over, der er Exagan i Frankrig, NXP i Holland, Infineon i Tyskland, Mitsubishi Electric i Japan, og II-VI i USA.
3 Vigtigste produktionsprocesser af GaN-enheder
Den ene er galliumnitrid GaN RF-processen baseret på siliciumcarbid SiC som substrat, som bruges af Qorvo og de fleste producenter. Den ene er galliumnitrid GaN radiofrekvensprocessen domineret af Macom baseret på silicium Si som substratet.
Begge RF-processer har deres egne fordele og ulemper.Ifølge Qorvo, den GaN-på-siliciumcarbid-baserede GaN RF-proces har højere effekttæthed og bedre termisk ledningsevne end GaN-på-silicium-baseret GaN.
4 Problemer, der skal løses
①Produktionsprocessen af galliumnitrid-halvledermaterialer er relativt kompleks, og udbyttet er lavere end for traditionelle siliciumhalvledermaterialer.
②Prisen på galliumnitrid-halvledermaterialer er høj, og prisen på MOS-rør, der bruger galliumnitrid-halvledermaterialer, er næsten 20 gange mere end traditionelle siliciumhalvledermaterialer.
③ Et stort antal galliumnitrid halvlederproduktionsprocesser og komponentpatenter er i hænderne på lande som Europa, Amerika, Japan og Sydkorea, og et betydeligt antal nøglekomponenter er også afhængige af import.
5 Galliumnitridapplikationer
Kommunikationsfelt: 5G højeffektbasestation GaN effektforstærker bruges hovedsageligt i 5G højeffektbasestation, som løser problemet med lille område, men relativt koncentrerede datatrafikanmodninger i 5G mobilnetværk. 5G millimeter-bølge-basestationen GaN monolitiske effektforstærker har karakteristika af ultra-stor båndbredde og ultra-lav latens.
Strømhalvlederfelter såsom elektriske køretøjer, solcelleanlæg og smarte net: På nuværende tidspunkt, IGBT'er brugt i elektriske køretøjer, solcelleanlæg, smart grids og andre felter er siliciumbaserede materialer. I fremtiden, galliumnitrid-teknologi vil gøre yderligere gennembrud og trænge ind i feltet af IGBT-halvledere. Ud over, mange mobiltelefon hurtigopladningsløsninger bruger også galliumnitridløsninger.
Især ved en spænding på omkring 600V, galliumnitrid har åbenlyse fordele inden for strømstyring, elproduktion og strømudgang, hvilket gør kraftprodukterne fra galliumnitridmaterialer tyndere og mere effektive.
Og GaN-opladningsstikket er lille i størrelse og høj effekt, og har mulighed for at forene mobiltelefonoplader- og kommunikationskraftmarkedet i fremtiden.
Militært felt: Det har været meget brugt i forskellige militære radarenheder, især de luftbårne aktive fasede array-radarenheder fra nye jagerfly.
Elektronisk felt: Galliumnitridtransistorer er velegnede til højfrekvens, lejligheder med høj spænding og høje temperaturer. Baseret på galliumnitridtransistorer i stedet for siliciumbaserede MOSFET'er, Der produceres hårdt-switchende halvbro DC/DC-strømmoduler med synkron ensretterfunktion.
Brugen af GaN-transistorer gør det muligt for DC/DC-strømmoduler at fungere ved højere frekvenser uden et væsentligt fald i effektivitet, på samme tid, et lille LC-filter kan bruges til at opnå lav output-rippel, som har fordelene ved lille størrelse, høj effektivitet, lille krusning og hurtig dynamisk respons.
