Das super “Leistung” von 5G – Galliumnitrid(GaN)
Die Welt ist von der 5G-Technologie begeistert. 5G liefert blitzschnelle Geschwindigkeiten 20 Mal schneller als 4G LTE und eröffnen eine Vielzahl innovativer Anwendungen und Möglichkeiten jenseits unserer Vorstellungskraft. Aber es erfordert auch die Überholung der bestehenden Netzwerkinfrastruktur – insbesondere von HF-Leistungsanwendungen. Die GaN-Technologie ist der Schlüssel zum Antrieb dieser neuen Art von Infrastruktur.
Galliumnitrid (GaN) ist relativ neuer Halbleiter für gewerbliche Anwendungen. Seine Energieeffizienz, Leistungsdichte, und die Fähigkeit, einen größeren Frequenzbereich zu handhaben, machen es ideal für massive MIMO-Basisstationen.
Heute, Wir werden den Wert von GaN als Halbleiter diskutieren, seine Verteilung in der Industriekette, wichtigsten Herausforderungen im Produktionsprozess, und was wir von GaN-Anwendungen erwarten können.
1 Der Wert von GaN-Halbleitern
Galliumnitrid (GaN) ist ein Verbindungshalbleitermaterial mit großer Bandlücke und den folgenden Eigenschaften.
(1) Die hohe elektrische Durchschlagsfeldstärke verbessert die Stromdichte und Spannungsfestigkeit von Galliumnitrid-Leistungsbauelementen erheblich, während der Leitungsverlust reduziert wird.
(2) Die breite Bandlücke und die große verbotene Bandbreite reduzieren den Leckstrom des GaN-Halbleiterbauelements stark und machen es strahlungsbeständig. Gleichzeitig, Die breitere Bandlücke bedeutet, dass Galliumnitrid einer hohen Spannung standhalten kann, und Hochspannung bedeutet, dass Anwendungen mit hoher Leistung, hohe Ausgangsenergiedichte und hohe Temperaturbeständigkeit erreicht werden.
(3) Hohe Wärmeleitfähigkeit und hervorragende Wärmeableitungsleistung, Das bedeutet, dass die Integration und die Leistungsdichte von Galliumnitrid-Bauelementen höher sein können als bei herkömmlichen Komponenten.
(4) Die Elektronensättigungsdrift ist schnell und kann bei höheren Frequenzen arbeiten.
(5) Die Dielektrizitätskonstante ist klein, was den Leckstrom der integrierten Schaltung reduzieren kann, Reduzieren Sie den Kapazitätseffekt zwischen den Drähten, und die Erwärmung der integrierten Schaltung zu reduzieren.
(6) Die chemischen Eigenschaften sind stabil und nicht leicht zu korrodieren.
(7) Wurtzitartige Struktur, hohe Härte.
Diese Eigenschaften haben Galliumnitrid ins Rampenlicht von 5G-HF getrieben. GaN kann das geringe Gewicht elektronischer Produkte besser unterstützen. Zum Beispiel, PC-Netzteile mit GaN-Transistoren sind kleiner und leichter als heute übliche Ladegeräte.
Nach Berechnungen Dritter, nach der Verwendung von GaN-Geräten, Standard-Handy-Ladegeräte können bis zu an Gewicht verlieren 40%. Oder geben Sie bei gleicher Größe mehr Leistung aus, ähnliche Leistungssteigerungen können in Bezug auf Energieeffizienz und Leistungsdichte erzielt werden, die für verschiedene elektronische Produkte wie Verbraucher geeignet sind, industriell, und Automobil.
2 GaN-Halbleiterindustriekette
Die Glieder in der Kette der GaN-Halbleiterindustrie sind: GaN-Einkristallsubstrat → GaN-Materialepitaxie → Gerätedesign → Geräteherstellung.
(1) GaN-Einkristallsubstrat
GaN-Substrate werden hauptsächlich von japanischen Unternehmen dominiert, und Japans Sumitomo Electric hat einen Marktanteil von mehr als 90%.
(2) GaN-Epitaxie-Wafer
Zu den mit GaN-Epitaxialwafern verbundenen Unternehmen gehört hauptsächlich Epi-GaN in Belgien, IQE im Vereinigten Königreich, und NTT-AT in Japan. Zu den chinesischen Herstellern gehört Suzhou Jingzhan, Suzhou Nenghua und Jahrhundert Jingguang.
(3) GaN-Geräte
In Bezug auf Entwickler von GaN-Geräten, Es gibt EPC, MA-COM, Transphom, Navitas in den Vereinigten Staaten, Dialog in Deutschland, und Ampleon, die von chinesischem Kapital erworben wurde, in China.
Unter den globalen unabhängigen Design- und Produktionslieferanten (IDMs) von GaN-HF-Geräten, Sumitomo Electric und Cree sind die führenden Unternehmen der Branche, mit einem Marktanteil von mehr als 30%, gefolgt von Qorvo und MACOM. Sumitomo Electric hat einen großen Marktanteil im Bereich der drahtlosen Kommunikation. Es ist zum Hauptlieferanten von Huawei und zum größten Lieferanten von Huaweis GaN-Hochfrequenzgeräten geworden. Zusätzlich, Es gibt Exagan in Frankreich, NXP in den Niederlanden, Infineon in Deutschland, Mitsubishi Electric in Japan, und II-VI in den Vereinigten Staaten.
3 Hauptproduktionsprozesse von GaN-Geräten
Einer davon ist der Galliumnitrid-GaN-HF-Prozess, der auf Siliziumkarbid SiC als Substrat basiert, die von Qorvo und den meisten Herstellern verwendet wird. Einer ist der von Macom dominierte Galliumnitrid-GaN-Hochfrequenzprozess auf der Basis von Silizium Si als Substrat.
Beide HF-Verfahren haben ihre eigenen Vor- und Nachteile.Laut Qorvo, Der GaN-RF-Prozess auf GaN-auf-Siliciumcarbid-Basis hat eine höhere Leistungsdichte und eine bessere Wärmeleitfähigkeit als GaN auf Siliciumcarbid-Basis.
4 Zu lösende Probleme
①Der Herstellungsprozess von Galliumnitrid-Halbleitermaterialien ist relativ komplex und die Ausbeute geringer als die von herkömmlichen Silizium-Halbleitermaterialien.
②Der Preis von Galliumnitrid-Halbleitermaterialien ist hoch, und der Preis für MOS-Röhren, die Galliumnitrid-Halbleitermaterialien verwenden, ist fast 20 Mal so hoch wie bei traditionellen Silizium-Halbleitermaterialien.
③ Viele Patente für Herstellungsverfahren und Komponenten von Galliumnitrid-Halbleitern befinden sich in den Händen von Ländern wie Europa, Amerika, Japan und Südkorea, und eine beträchtliche Anzahl von Schlüsselkomponenten ist ebenfalls auf Importe angewiesen.
5 Galliumnitrid-Anwendungen
Kommunikationsfeld: 5G-Hochleistungs-Basisstation GaN-Leistungsverstärker wird hauptsächlich in 5G-Hochleistungs-Basisstationen verwendet, was das Problem der kleinräumigen, aber relativ konzentrierten Datenverkehrsanfragen im 5G-Mobilfunknetz löst. Der monolithische GaN-Leistungsverstärker der 5G-Millimeterwellen-Basisstation zeichnet sich durch eine extrem große Bandbreite und eine extrem niedrige Latenz aus.
Leistungshalbleiterfelder wie Elektrofahrzeuge, Photovoltaik und Smart Grids: Derzeit, IGBTs, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden, Photovoltaik, Smart Grids und andere Bereiche sind Materialien auf Siliziumbasis. In der Zukunft, Die Galliumnitrid-Technologie wird weitere Durchbrüche erzielen und in den Bereich der IGBT-Halbleiter vordringen. Zusätzlich, Viele Schnellladelösungen für Mobiltelefone verwenden auch Galliumnitrid-Lösungen.
Vor allem bei einer Spannung von rund 600V, Galliumnitrid hat offensichtliche Vorteile bei der Energieverwaltung, Stromerzeugung und Leistungsabgabe, wodurch die Leistungsprodukte aus Galliumnitrid-Materialien dünner und effizienter werden.
Und der GaN-Ladestecker ist klein und leistungsstark, und hat die Möglichkeit, den Markt für Mobiltelefonladegeräte und Kommunikationsstrom in Zukunft zu vereinheitlichen.
Militärischer Bereich: Es ist in verschiedenen militärischen Radargeräten weit verbreitet, insbesondere die luftgestützten aktiven Phased-Array-Radargeräte neuer Jäger.
Elektronisches Feld: Galliumnitrid-Transistoren sind für Hochfrequenz geeignet, Hochspannungs- und Hochtemperaturgelegenheiten. Basierend auf Galliumnitrid-Transistoren anstelle von Silizium-basierten MOSFETs, werden hart schaltende Halbbrücken-DC/DC-Leistungsmodule mit Synchrongleichrichtungsfunktion hergestellt.
Die Verwendung von GaN-Transistoren ermöglicht DC/DC-Leistungsmodulen den Betrieb bei höheren Frequenzen ohne signifikanten Abfall des Wirkungsgrads, zur selben Zeit, ein kleiner LC-Filter kann verwendet werden, um eine geringe Ausgangswelligkeit zu erreichen, was die Vorteile der geringen Größe hat, high efficiency, kleine Welligkeit und schnelle dynamische Reaktion.
