Super “tehoa” 5G:stä – galliumnitridi(GaN)
Maailma on innoissaan 5G-teknologiasta. 5G toimittaa salamannopeita nopeuksia 20 kertaa nopeampi kuin 4G LTE ja avaa joukon innovatiivisia sovelluksia ja mahdollisuuksia, jotka ylittävät mielikuvituksemme. Mutta se vaatii myös olemassa olevan verkkoinfrastruktuurin uudistamista – erityisesti RF-tehosovelluksia. GaN-teknologia on avain tämän uudentyyppisen infrastruktuurin ohjaamiseen.
Galliumnitridi (GaN) on suhteellinen uusi puolijohde kaupallisiin sovelluksiin. Sen tehokkuus, tehotiheys, ja kyky käsitellä laajempaa taajuusaluetta tekevät siitä ihanteellisen massiivisille MIMO-tukiasemille.
Tänään, aiomme keskustella GaN:n arvosta puolijohteena, sen jakelu toimialaketjussa, tärkeimmät tuotantoprosessin haasteet, ja mitä voimme odottaa GaN-sovelluksilta.
1 GaN-puolijohteiden arvo
Galliumnitridi (GaN) on laajakaistainen yhdistepuolijohdemateriaali, jolla on seuraavat ominaisuudet.
(1) Korkea läpilyöntisähkökentän voimakkuus parantaa huomattavasti galliumnitriditeholaitteiden virrantiheyttä ja kestojännitekapasiteettia, samalla vähentäen johtavuushäviötä.
(2) Leveä kaistaväli ja suuri kielletty kaistanleveys vähentävät huomattavasti GaN-puolijohdelaitteen vuotovirtaa ja tekevät siitä säteilyn kestävän. Samaan aikaan, leveämpi kaistaväli tarkoittaa, että galliumnitridi kestää korkeaa jännitettä, ja korkea jännite tarkoittaa, että suuritehoisia sovelluksia, voidaan saavuttaa korkea lähtöenergiatiheys ja korkean lämpötilan kestävyys.
(3) Korkea lämmönjohtavuus ja erinomainen lämmönpoistokyky, mikä tarkoittaa, että galliumnitridilaitteiden integrointi ja tehotiheys voivat olla suurempia kuin perinteisten komponenttien.
(4) Elektronien kyllästymisryömintä on nopeaa ja voi toimia korkeammilla taajuuksilla.
(5) Dielektrisyysvakio on pieni, joka voi vähentää integroidun piirin vuotovirtaa, vähentää johtojen välistä kapasitanssivaikutusta, ja vähentää integroidun piirin kuumenemista.
(6) Kemialliset ominaisuudet ovat vakaat, eikä niitä ole helppo syöpyä.
(7) Wurtziitin kaltainen rakenne, korkea kovuus.
Nämä ominaisuudet ovat ajaneet galliumnitridin 5G RF -kohdevaloon. GaN tukee paremmin elektronisten tuotteiden keveyttä. Esimerkiksi, GaN-transistoreja käyttävät PC-virtalähteet ovat pienempiä ja kevyempiä kuin nykyään yleiset laturit.
Kolmannen osapuolen laskelmien mukaan, GaN-laitteiden käytön jälkeen, Tavalliset matkapuhelinlaturit voivat laihtua jopa 40%. Tai tuottaa enemmän tehoa samankokoisissa olosuhteissa, samanlaisia suorituskyvyn parannuksia voidaan saavuttaa energiatehokkuuden ja tehotiheyden suhteen, jotka soveltuvat erilaisiin elektroniikkatuotteisiin, kuten kuluttajakäyttöön, teollinen, ja autoteollisuudessa.
2 GaN puolijohdeteollisuuden ketju
GaN-puolijohdeteollisuuden ketjun lenkit ovat: GaN-yksikidealusta → GaN-materiaalin epitaksi → laitesuunnittelu → laitteen valmistus.
(1) GaN-yksikidealusta
GaN-substraatteja hallitsevat pääasiassa japanilaiset yritykset, Japanin Sumitomo Electricin markkinaosuus on yli 90%.
(2) GaN-epitaksinen kiekko
GaN-epitaksiaalisiin kiekkoihin liittyviä yrityksiä ovat pääasiassa Epi-GaN Belgiassa, IQE Isossa-Britanniassa, ja NTT-AT Japanissa. Kiinalaisia valmistajia ovat muun muassa Suzhou Jingzhan, Suzhou Nenghua ja Century Jinguang.
(3) GaN-laitteet
GaN-laitesuunnittelijoiden kannalta, siellä on EPC, MA-COM, Transphom, Navitas Yhdysvalloissa, Dialogi Saksassa, ja Ampleon, jonka kiinalainen pääoma osti, Kiinassa.
Yksi maailmanlaajuisista riippumattomista suunnittelu- ja tuotantotoimittajista (IDM:t) GaN RF -laitteista, Sumitomo Electric ja Cree ovat alan johtavia yrityksiä, joiden markkinaosuus on yli 30%, seuraavat Qorvo ja MACOM. Sumitomo Electricillä on suuri markkinaosuus langattoman viestinnän alalla. Siitä on tullut Huawein ydintoimittaja ja suurin Huawein GaN-radiotaajuuslaitteiden toimittaja.. Lisäksi, Ranskassa on Exagan, NXP Hollannissa, Infineon Saksassa, Mitsubishi Electric Japanissa, ja II-VI Yhdysvalloissa.
3 GaN-laitteiden tärkeimmät tuotantoprosessit
Yksi on galliumnitridi GaN RF -prosessi, joka perustuu piikarbidin piikarbidiin substraattina., jota Qorvo ja useimmat valmistajat käyttävät. Yksi on galliumnitridi GaN-radiotaajuusprosessi, jota hallitsee Macom ja joka perustuu pii Si:iin substraattina..
Molemmilla RF-prosesseilla on omat hyvät ja huonot puolensa. Qorvon mukaan, GaN-piikarbidipohjaisella GaN-RF-prosessilla on suurempi tehotiheys ja parempi lämmönjohtavuus kuin GaN-piipohjaisella GaN-prosessilla.
4 Ongelmat ratkaistavaksi
①Galliumnitridipuolijohdemateriaalien tuotantoprosessi on suhteellisen monimutkainen ja saanto pienempi kuin perinteisten piipuolijohdemateriaalien..
②Galliumnitridipuolijohdemateriaalien hinta on korkea, ja galliumnitridipuolijohdemateriaaleja käyttävien MOS-putkien hinta on lähes 20 kertaa perinteisiin piipuolijohdemateriaaliin verrattuna.
③ Suuri määrä galliumnitridipuolijohteiden tuotantoprosesseja ja komponenttipatentteja on Euroopan kaltaisten maiden käsissä, Amerikka, Japani ja Etelä-Korea, ja myös huomattava osa avainkomponenteista on riippuvainen tuonnista.
5 Galliumnitridisovellukset
Viestintäkenttä: 5G-suurtehoinen tukiasema GaN-tehovahvistinta käytetään pääasiassa 5G-suurtehoisessa tukiasemassa, joka ratkaisee pienen alueen mutta suhteellisen keskittyneiden dataliikennepyyntöjen ongelman 5G-mobiiliverkossa. 5G millimetriaaltotukiaseman GaN monoliittisella tehovahvistimella on erittäin suuri kaistanleveys ja erittäin pieni latenssi.
Tehopuolijohdekentät, kuten sähköajoneuvot, aurinkosähkö ja älykkäät sähköverkot: Nykyisessä, Sähköajoneuvoissa käytettävät IGBT:t, aurinkosähkö, älykkäät sähköverkot ja muut kentät ovat piipohjaisia materiaaleja. Tulevaisuudessa, galliumnitriditeknologia tekee lisää läpimurtoja ja tunkeutuu IGBT-puolijohteiden alalle. Lisäksi, monet matkapuhelinten pikalatausratkaisut käyttävät myös galliumnitridiratkaisuja.
Varsinkin noin 600V jännitteellä, galliumnitridillä on ilmeisiä etuja tehonhallinnassa, sähköntuotanto ja tehontuotanto, mikä tekee galliumnitridimateriaalien tehotuotteista ohuempia ja tehokkaampia.
Ja GaN-latauspistoke on pienikokoinen ja suuritehoinen, ja sillä on mahdollisuus yhtenäistää matkapuhelinlaturi- ja viestintätehomarkkinat tulevaisuudessa.
Sotilaallinen kenttä: Sitä on käytetty laajasti erilaisissa sotilaallisissa tutka-laitteissa, erityisesti uusien hävittäjien ilmassa olevat aktiiviset vaiheistetut tutkalaitteet.
Elektroninen kenttä: Galliumnitriditransistorit sopivat suurtaajuuksille, korkeajännite ja korkea lämpötila. Perustuu galliumnitriditransistoreihin piipohjaisten MOSFETien sijaan, Tuotetaan kovakytkettyjä puolisiltaisia DC/DC-tehomoduuleja, joissa on synkroninen tasasuuntaustoiminto.
GaN-transistoreiden käyttö mahdollistaa DC/DC-tehomoduulien toiminnan korkeammilla taajuuksilla ilman merkittävää hyötysuhteen laskua, samaan aikaan, Pienellä LC-suodattimella voidaan saavuttaa alhainen lähdön aaltoilu, jonka etuna on pieni koko, korkea hyötysuhde, pieni aaltoilu ja nopea dynaaminen vaste.
