Il super “potenza” di 5G – nitruro di gallio(GaN)
Il mondo è entusiasta della tecnologia 5G. 5G fornirà velocità fulminee 20 volte più veloce di 4G LTE e apre una serie di applicazioni innovative e opportunità oltre la nostra immaginazione. Ma richiede anche la revisione dell'infrastruttura di rete esistente, in particolare le applicazioni di alimentazione RF. La tecnologia GaN è la chiave per guidare questo nuovo tipo di infrastruttura.
nitruro di gallio (GaN) è un relativamente nuovo semiconduttore per applicazioni commerciali. La sua efficienza energetica, densità di potenza, e la capacità di gestire una gamma di frequenze più ampia lo rendono ideale per enormi stazioni base MIMO.
Oggi, discuteremo del valore del GaN come semiconduttore, la sua distribuzione nella filiera, principali sfide del processo di produzione, e cosa possiamo aspettarci dalle applicazioni GaN.
1 Il valore dei semiconduttori GaN
Nitruro di Gallio (GaN) è un materiale semiconduttore composto ad ampia banda proibita con le seguenti proprietà.
(1) L'elevata intensità del campo elettrico di rottura migliora notevolmente la densità di corrente e resiste alla capacità di tensione dei dispositivi di alimentazione al nitruro di gallio, riducendo la perdita di conduzione.
(2) L'ampio intervallo di banda e l'ampia larghezza di banda proibita riducono notevolmente la corrente di dispersione del dispositivo a semiconduttore GaN e lo rendono resistente alle radiazioni. Allo stesso tempo, il gap di banda più ampio significa che il nitruro di gallio può resistere all'alta tensione, e alta tensione significa che le applicazioni ad alta potenza, è possibile ottenere un'elevata densità di energia in uscita e una resistenza alle alte temperature.
(3) Elevata conduttività termica ed eccellenti prestazioni di dissipazione del calore, ciò significa che l'integrazione e la densità di potenza dei dispositivi al nitruro di gallio possono essere superiori a quelle dei componenti tradizionali.
(4) La deriva della saturazione elettronica è veloce e può funzionare a frequenze più elevate.
(5) La costante dielettrica è piccola, che può ridurre la corrente di dispersione del circuito integrato, ridurre l'effetto di capacità tra i fili, e ridurre il riscaldamento del circuito integrato.
(6) Le proprietà chimiche sono stabili e non facili da corrodere.
(7) Struttura simile alla wurtzite, elevata durezza.
Queste proprietà hanno spinto il nitruro di gallio sotto i riflettori RF 5G. GaN può supportare meglio la leggerezza dei prodotti elettronici. Per esempio, Gli adattatori di alimentazione per PC che utilizzano transistor GaN sono più piccoli e leggeri dei caricabatterie comuni oggi.
Secondo calcoli di terze parti, dopo aver utilizzato dispositivi GaN, i caricabatterie standard per telefoni cellulari possono perdere peso fino a 40%. O emetti più potenza nelle stesse condizioni di dimensioni, analoghi miglioramenti delle prestazioni possono essere raggiunti in termini di efficienza energetica e densità di potenza, che sono adatti a vari prodotti elettronici come il consumatore, industriale, e automobilistico.
2 Catena industriale dei semiconduttori GaN
Gli anelli della catena industriale dei semiconduttori GaN sono: Substrato a cristallo singolo GaN → epitassia del materiale GaN → progettazione del dispositivo → produzione del dispositivo.
(1) Substrato a cristallo singolo GaN
I substrati GaN sono principalmente dominati dalle aziende giapponesi, e la giapponese Sumitomo Electric detiene una quota di mercato superiore a 90%.
(2) Wafer epitassiale in GaN
Le società collegate ai wafer epitassiali GaN includono principalmente Epi-GaN in Belgio, IQE nel Regno Unito, e NTT-AT in Giappone. I produttori cinesi includono Suzhou Jingzhan, Suzhou Nenghua e Secolo Jingguang.
(3) Dispositivi GaN
In termini di progettisti di dispositivi GaN, ci sono EPC, MA-COM, Transfom, Navitas negli Stati Uniti, Dialogo in Germania, e Amplio, che è stato acquisito dal capitale cinese, in Cina.
Tra i fornitori indipendenti globali di progettazione e produzione (IDM) di dispositivi GaN RF, Sumitomo Electric e Cree sono le aziende leader del settore, con una quota di mercato superiore a 30%, seguito da Qorvo e MACOM. Sumitomo Electric detiene un'ampia quota di mercato nel campo delle comunicazioni wireless. È diventato il principale fornitore di Huawei e il più grande fornitore di dispositivi a radiofrequenza GaN di Huawei. Inoltre, ci sono Exagan in Francia, NXP nei Paesi Bassi, Infineon in Germania, Mitsubishi Electric in Giappone, e II-VI negli Stati Uniti.
3 Principali processi di produzione dei dispositivi GaN
Uno è il processo GaN RF al nitruro di gallio basato sul carburo di silicio SiC come substrato, utilizzato da Qorvo e dalla maggior parte dei produttori. Uno è il processo a radiofrequenza GaN al nitruro di gallio dominato da Macom basato sul silicio Si come substrato.
Entrambi i processi RF hanno i loro pro e contro. Secondo Qorvo, il processo GaN RF a base di GaN su carburo di silicio ha una maggiore densità di potenza e una migliore conduttività termica rispetto al GaN a base di GaN su silicio.
4 Problemi da risolvere
①Il processo di produzione dei materiali semiconduttori al nitruro di gallio è relativamente complesso e la resa è inferiore a quella dei tradizionali materiali semiconduttori in silicio.
②Il prezzo dei materiali semiconduttori al nitruro di gallio è elevato, e il prezzo dei tubi MOS che utilizzano materiali semiconduttori al nitruro di gallio è quasi 20 volte quella dei tradizionali materiali semiconduttori in silicio.
③ Un gran numero di processi di produzione di semiconduttori di nitruro di gallio e brevetti sui componenti sono nelle mani di paesi come l'Europa, America, Giappone e Corea del Sud, e un numero considerevole di componenti chiave dipende anche dalle importazioni.
5 Applicazioni di nitruro di gallio
Campo di comunicazione: 5L'amplificatore di potenza GaN della stazione base ad alta potenza G viene utilizzato principalmente nella stazione base ad alta potenza 5G, che risolve il problema delle richieste di traffico dati di piccola area ma relativamente concentrate nella rete mobile 5G. L'amplificatore di potenza monolitico GaN della stazione base a onde millimetriche 5G ha le caratteristiche di larghezza di banda ultra-ampia e latenza ultra-bassa.
Campi di semiconduttori di potenza come i veicoli elettrici, fotovoltaico e smart grid: Attualmente, IGBT utilizzati nei veicoli elettrici, fotovoltaico, le reti intelligenti e altri campi sono materiali a base di silicio. Nel futuro, la tecnologia al nitruro di gallio farà ulteriori progressi e penetrerà nel campo dei semiconduttori IGBT. Inoltre, molte soluzioni di ricarica rapida per telefoni cellulari utilizzano anche soluzioni di nitruro di gallio.
Soprattutto a una tensione di circa 600 V, il nitruro di gallio ha evidenti vantaggi nella gestione dell'energia, produzione di energia e potenza erogata, che rende i prodotti energetici dei materiali di nitruro di gallio più sottili ed efficienti.
E la spina di ricarica GaN è di piccole dimensioni e ad alta potenza, e ha l'opportunità di unificare in futuro il mercato dei caricatori per telefoni cellulari e della potenza di comunicazione.
Campo militare: È stato ampiamente utilizzato in vari dispositivi radar militari, in particolare i dispositivi radar phased array attivi aviotrasportati dei nuovi caccia.
Campo elettronico: I transistor al nitruro di gallio sono adatti per l'alta frequenza, occasioni ad alta tensione e ad alta temperatura. Basato su transistor al nitruro di gallio anziché su MOSFET a base di silicio, vengono prodotti moduli di alimentazione c.c./c.c. a mezzo ponte hard-switching con funzione di rettifica sincrona.
L'uso di transistor GaN consente ai moduli di alimentazione CC/CC di funzionare a frequenze più elevate senza un calo significativo dell'efficienza, allo stesso tempo, un piccolo filtro LC può essere utilizzato per ottenere un basso ripple di uscita, che ha i vantaggi di piccole dimensioni, alta efficienza, piccola ondulazione e risposta dinamica veloce.
