Le super “pouvoir” de la 5G – nitrure de gallium(GaN)
Le monde est enthousiasmé par la technologie 5G. 5G offrira des vitesses ultra-rapides 20 fois plus rapide que la 4G LTE et ouvre une multitude d'applications et d'opportunités innovantes au-delà de notre imagination. Mais cela nécessite également une refonte de l'infrastructure réseau existante, en particulier les applications d'alimentation RF. La technologie GaN est la clé pour piloter ce nouveau type d'infrastructure.
Nitrure de gallium (GaN) est relativement nouveau semi-conducteur pour les applications commerciales. Son efficacité énergétique, la densité de puissance, et sa capacité à gérer une gamme de fréquences plus large le rendent idéal pour les stations de base MIMO massives.
Aujourd'hui, nous allons discuter de la valeur du GaN en tant que semi-conducteur, sa distribution dans la chaîne industrielle, principaux défis du processus de production, et ce que nous pouvons attendre des applications GaN.
1 La valeur des semi-conducteurs GaN
Nitrure de gallium (GaN) est un matériau semi-conducteur composé à large bande interdite avec les propriétés suivantes.
(1) L'intensité élevée du champ électrique de claquage améliore considérablement la densité de courant et la capacité de tension de tenue des dispositifs d'alimentation en nitrure de gallium, tout en réduisant la perte de conduction.
(2) La large bande interdite et la grande largeur de bande interdite réduisent considérablement le courant de fuite du dispositif à semi-conducteur GaN et le rendent résistant aux radiations. En même temps, la bande interdite plus large signifie que le nitrure de gallium peut résister à une haute tension, et haute tension signifie que les applications à haute puissance, une densité d'énergie de sortie élevée et une résistance à haute température peuvent être obtenues.
(3) Haute conductivité thermique et excellente performance de dissipation thermique, ce qui signifie que l'intégration et la densité de puissance des dispositifs au nitrure de gallium peuvent être supérieures à celles des composants traditionnels.
(4) La dérive de saturation des électrons est rapide et peut fonctionner à des fréquences plus élevées.
(5) La constante diélectrique est faible, qui peut réduire le courant de fuite du circuit intégré, réduire l'effet de capacité entre les fils, et réduire l'échauffement du circuit intégré.
(6) Les propriétés chimiques sont stables et difficiles à corroder.
(7) Structure de type wurtzite, haute dureté.
Ces propriétés ont propulsé le nitrure de gallium dans le projecteur RF 5G. Le GaN peut mieux supporter la légèreté des produits électroniques. Par exemple, Les adaptateurs d'alimentation PC utilisant des transistors GaN sont plus petits et plus légers que les chargeurs courants aujourd'hui.
Selon des calculs tiers, après avoir utilisé des appareils GaN, les chargeurs de téléphone portable standard peuvent perdre du poids jusqu'à 40%. Ou produire plus de puissance dans la même condition de taille, des améliorations de performances similaires peuvent être obtenues en termes d'efficacité énergétique et de densité de puissance, qui conviennent à divers produits électroniques tels que les consommateurs, industriel, et automobile.
2 Chaîne industrielle des semi-conducteurs GaN
Les maillons de la chaîne industrielle des semi-conducteurs GaN sont: Substrat monocristallin GaN → épitaxie de matériaux GaN → conception de dispositifs → fabrication de dispositifs.
(1) Substrat monocristallin de GaN
Les substrats GaN sont principalement dominés par des entreprises japonaises, et le japonais Sumitomo Electric détient une part de marché de plus de 90%.
(2) plaquette épitaxiale de GaN
Les sociétés liées aux tranches épitaxiales de GaN incluent principalement Epi-GaN en Belgique, IQE au Royaume-Uni, et NTT-AT au Japon. Les fabricants chinois incluent Suzhou Jingzhan, Suzhou Nenghua et Century Jinguang.
(3) Dispositifs GaN
En termes de concepteurs de dispositifs GaN, il y a des CPE, MA-COM, Transphom, Navitas aux États-Unis, Dialogue en Allemagne, et Ampleon, qui a été acquis par le capital chinois, en Chine.
Parmi les fournisseurs mondiaux indépendants de conception et de production (IDM) des dispositifs RF GaN, Sumitomo Electric et Cree sont les principales entreprises du secteur, avec une part de marché de plus de 30%, suivi de Qorvo et MACOM. Sumitomo Electric détient une part de marché importante dans le domaine des communications sans fil. Il est devenu le principal fournisseur de Huawei et le plus grand fournisseur de dispositifs de radiofréquence GaN de Huawei.. En outre, il y a Exagan en France, NXP aux Pays-Bas, Infineon en Allemagne, Mitsubishi Electric au Japon, et II-VI aux États-Unis.
3 Principaux processus de production des dispositifs GaN
L'un est le procédé RF au nitrure de gallium GaN basé sur le carbure de silicium SiC comme substrat, qui est utilisé par Qorvo et la plupart des fabricants. L'un est le procédé radiofréquence GaN au nitrure de gallium dominé par Macom à base de silicium Si comme substrat.
Les deux processus RF ont leurs propres avantages et inconvénients.Selon Qorvo, le procédé GaN RF à base de carbure de silicium sur GaN a une densité de puissance plus élevée et une meilleure conductivité thermique que le GaN à base de GaN sur silicium.
4 Problèmes à résoudre
①Le processus de production des matériaux semi-conducteurs au nitrure de gallium est relativement complexe et le rendement est inférieur à celui des matériaux semi-conducteurs traditionnels en silicium.
②Le prix des matériaux semi-conducteurs au nitrure de gallium est élevé, et le prix des tubes MOS utilisant des matériaux semi-conducteurs au nitrure de gallium est presque 20 fois celui des matériaux semi-conducteurs traditionnels en silicium.
③ Un grand nombre de processus de production de semi-conducteurs au nitrure de gallium et de brevets de composants sont entre les mains de pays tels que l'Europe, Amérique, Japon et Corée du Sud, et un nombre considérable de composants clés dépendent également des importations.
5 Applications de nitrure de gallium
Domaine de la communication: 5L'amplificateur de puissance GaN de la station de base haute puissance G est principalement utilisé dans la station de base haute puissance 5G, qui résout le problème des demandes de trafic de données de petite taille mais relativement concentrées dans le réseau mobile 5G. L'amplificateur de puissance monolithique GaN de la station de base à ondes millimétriques 5G présente les caractéristiques d'une bande passante ultra-large et d'une latence ultra-faible.
Champs de semi-conducteurs de puissance tels que les véhicules électriques, photovoltaïque et réseaux intelligents: Maintenant, IGBT utilisés dans les véhicules électriques, photovoltaïque, les réseaux intelligents et d'autres domaines sont des matériaux à base de silicium. A l'avenir, la technologie du nitrure de gallium fera de nouvelles percées et pénétrera dans le domaine des semi-conducteurs IGBT. En outre, de nombreuses solutions de recharge rapide de téléphones portables utilisent également des solutions de nitrure de gallium.
Surtout à une tension d'environ 600V, le nitrure de gallium présente des avantages évidents dans la gestion de l'énergie, production d'énergie et puissance de sortie, ce qui rend les produits de puissance des matériaux de nitrure de gallium plus minces et plus efficaces.
Et la prise de charge GaN est de petite taille et haute puissance, et a la possibilité d'unifier le marché des chargeurs de téléphones portables et de l'alimentation de communication à l'avenir.
Domaine militaire: Il a été largement utilisé dans divers dispositifs radar militaires, en particulier les radars à réseau phasé actifs aéroportés des nouveaux chasseurs.
Champ électronique: Les transistors au nitrure de gallium conviennent aux hautes fréquences, occasions haute tension et haute température. Basé sur des transistors en nitrure de gallium au lieu de MOSFET à base de silicium, des modules d'alimentation CC/CC à demi-pont à commutation dure avec fonction de redressement synchrone sont produits.
L'utilisation de transistors GaN permet aux modules d'alimentation DC/DC de fonctionner à des fréquences plus élevées sans perte significative d'efficacité, à la fois, un petit filtre LC peut être utilisé pour obtenir une faible ondulation de sortie, qui a l'avantage d'être de petite taille, haute efficacité, petite ondulation et réponse dynamique rapide.
