Super “võimsus” 5G-st – galliumnitriid(GaN)

Super “võimsus” 5G-st – galliumnitriid(GaN)

Maailm on 5G tehnoloogiast põnevil. 5G tagab välkkiire kiiruse 20 korda kiirem kui 4G LTE ja avab hulga uuenduslikke rakendusi ja võimalusi, mis ületavad meie kujutlusvõimet. Kuid see nõuab ka olemasoleva võrguinfrastruktuuri – eriti raadiosagedusliku toiterakenduste – ülevaatamist.. GaN-tehnoloogia on seda uut tüüpi infrastruktuuri juhtimise võti.

Galliumnitriid (GaN) on suhteliselt uus pooljuht kommertsrakenduste jaoks. Selle energiatõhusus, võimsustihedus, ja võime käsitleda laiemat sagedusvahemikku muudavad selle ideaalseks massiivsete MIMO tugijaamade jaoks.

Täna, me arutame GaN-i väärtust pooljuhina, selle jaotus tööstusahelas, peamised tootmisprotsessi väljakutsed, ja mida võime GaN-i rakendustelt oodata.

1 GaN pooljuhtide väärtus

Galliumnitriid (GaN) on laia ribalaiusega liitpooljuhtmaterjal, millel on järgmised omadused.

(1) Kõrge läbilöögiga elektrivälja tugevus parandab oluliselt galliumnitriidi jõuseadmete voolutihedust ja pingetaluvust, vähendades samal ajal juhtivuse kadu.

(2) Lai ribalaius ja suur keelatud ribalaius vähendavad oluliselt GaN-pooljuhtseadme lekkevoolu ja muudavad selle kiirgusele vastupidavaks. Samal ajal, laiem ribavahe tähendab, et galliumnitriid talub kõrget pinget, ja kõrgepinge tähendab suure võimsusega rakendusi, on võimalik saavutada kõrge väljundenergia tihedus ja kõrge temperatuuritaluvus.

(3) Kõrge soojusjuhtivus ja suurepärane soojuseraldusvõime, mis tähendab, et galliumnitriidi seadmete integratsioon ja võimsustihedus võivad olla suuremad kui traditsioonilistel komponentidel.

(4) Elektronide küllastumise triiv on kiire ja võib töötada kõrgematel sagedustel.

(5) Dielektriline konstant on väike, mis võib vähendada integraallülituse lekkevoolu, vähendada mahtuvuse efekti juhtmete vahel, ja vähendada integraallülituse kuumenemist.

(6) Keemilised omadused on stabiilsed ja neid ei ole kerge korrodeeruda.

(7) Wurtsiidi sarnane struktuur, kõrge kõvadus.

Need omadused on pannud galliumnitriidi 5G RF prožektori valgusesse. GaN suudab paremini toetada kergeid elektroonikatooteid. Näiteks, GaN-transistore kasutavad arvutitoiteadapterid on väiksemad ja kergemad kui tänapäeval levinud laadijad.

Kolmanda osapoole arvutuste kohaselt, pärast GaN-seadmete kasutamist, Tavalised mobiiltelefonilaadijad võivad kaalust alla võtta kuni 40%. Või väljastab sama suuruse tingimustes rohkem võimsust, energiatõhususe ja võimsustiheduse osas on võimalik saavutada sarnaseid jõudluse parandusi, mis sobivad erinevatele elektroonikatoodetele, näiteks tarbijatele, tööstuslik, ja autotööstus.

2 GaN pooljuhtide tööstuse kett

GaN pooljuhtide tööstuse ahela lülid on: GaN monokristall-substraat → GaN materjali epitaksia → seadme disain → seadme valmistamine.

(1) GaN monokristalli substraat

GaN substraate domineerivad peamiselt Jaapani ettevõtted, ja Jaapani Sumitomo Electricu turuosa on üle 90%.

(2) GaN epitaksiaalne vahvel

GaN-i epitaksiaalplaatidega seotud ettevõtted hõlmavad peamiselt Epi-GaN-i Belgias, IQE Ühendkuningriigis, ja NTT-AT Jaapanis. Hiina tootjate hulka kuulub Suzhou Jingzhan, Suzhou Nenghua ja Century Jinguang.

(3) GaN seadmed

GaN-i seadmedisainerite osas, seal on EPC, MA-COM, Transfoom, Navitas Ameerika Ühendriikides, Dialoog Saksamaal, ja Ampleon, mille omandas Hiina kapital, Hiinas.

Ülemaailmsete sõltumatute disaini- ja tootmistarnijate hulgas (IDM-id) GaN RF-seadmetest, Sumitomo Electric ja Cree on selle valdkonna juhtivad ettevõtted, turuosaga üle 30%, järgnesid Qorvo ja MACOM. Sumitomo Electricul on traadita side valdkonnas suur turuosa. Sellest on saanud Huawei põhitarnija ja suurim Huawei GaN-raadiosagedusseadmete tarnija. Lisaks, Prantsusmaal on Exagan, NXP Hollandis, Infineon Saksamaal, Mitsubishi Electric Jaapanis, ja II-VI Ameerika Ühendriikides.

3 GaN-seadmete peamised tootmisprotsessid

Üks neist on galliumnitriidi GaN RF protsess, mis põhineb ränikarbiidil ränikarbiidil substraadina, mida kasutavad Qorvo ja enamik tootjaid. Üks neist on galliumnitriidi GaN raadiosagedusprotsess, mida domineerib Macom ja mis põhineb substraadina räni Sil..

Mõlemal RF protsessil on omad plussid ja miinused.Qorvo andmetel, GaN-ränikarbiidil põhineval GaN RF-protsessil on suurem võimsustihedus ja parem soojusjuhtivus kui GaN-ränipõhisel GaN-il.

4 Probleemid, mida tuleb lahendada

①Galliumnitriid-pooljuhtmaterjalide tootmisprotsess on suhteliselt keeruline ja saagis on madalam kui traditsioonilistel räni pooljuhtmaterjalidel.

②Galliumnitriidi pooljuhtmaterjalide hind on kõrge, ja galliumnitriid-pooljuhtmaterjale kasutavate MOS-torude hind on peaaegu 20 korda võrreldes traditsiooniliste räni pooljuhtmaterjalidega.

③ Suur hulk galliumnitriidi pooljuhtide tootmisprotsesse ja komponentide patente on selliste riikide käes nagu Euroopa, Ameerika, Jaapan ja Lõuna-Korea, ja ka suur hulk põhikomponente sõltub impordist.

5 Galliumnitriidi rakendused

Suhtlusväli: 5G suure võimsusega tugijaama GaN võimsusvõimendit kasutatakse peamiselt 5G suure võimsusega tugijaamades, mis lahendab väikese pindalaga, kuid suhteliselt kontsentreeritud andmeliikluse päringute probleemi 5G mobiilsidevõrgus. 5G millimeeterlaine baasjaama GaN monoliitsel võimsusvõimendil on ülisuur ribalaius ja ülimadal latentsusaeg.

Võimsuspooljuhtväljad, näiteks elektrisõidukid, fotogalvaanika ja arukad võrgud: Hetkel, Elektrisõidukites kasutatavad IGBT-d, fotogalvaanika, nutikad võrgud ja muud valdkonnad on ränipõhised materjalid. Tulevikus, galliumnitriidi tehnoloogia teeb edasisi läbimurdeid ja tungib IGBT pooljuhtide valdkonda. Lisaks, paljud mobiiltelefonide kiirlaadimislahendused kasutavad ka galliumnitriidi lahendusi.

Eriti umbes 600 V pingel, galliumnitriidil on energiahalduses ilmsed eelised, energia tootmine ja väljundvõimsus, mis muudab galliumnitriidmaterjalide jõuproduktid õhemaks ja tõhusamaks.

Ja GaN-i laadimispistik on väikese suurusega ja suure võimsusega, ning tal on tulevikus võimalus ühtlustada mobiiltelefonide laadijate ja sidevõimsuse turgu.

Sõjaväe väli: Seda on laialdaselt kasutatud erinevates sõjaväe radariseadmetes, eriti uute hävitajate õhus olevad aktiivsed faseeritud massiivi radarseadmed.

Elektrooniline väli: Galliumnitriidtransistorid sobivad kõrgsageduslikuks kasutamiseks, kõrgepinge ja kõrge temperatuuri korral. Põhineb ränipõhiste MOSFET-ide asemel galliumnitriidtransistoridel, Toodetakse sünkroonse alaldi funktsiooniga kõvalülitatavaid poolsilla alalis-/alalisvoolumooduleid.

GaN-transistoride kasutamine võimaldab alalis-/alalisvoolu moodulitel töötada kõrgematel sagedustel ilma efektiivsuse olulise languseta, samal ajal, väikese väljundi pulsatsiooni saavutamiseks saab kasutada väikest LC-filtrit, mille eelisteks on väiksus, kõrge efektiivsusega, väike pulsatsioon ja kiire dünaamiline reaktsioon.