Супер “потужність” 5G – нітрид галію(GaN)
Світ у захваті від технології 5G. 5G забезпечить блискавичну швидкість 20 разів швидше, ніж 4G LTE, і відкриває безліч інноваційних програм і можливостей, які перевершують наші уявлення. Але це також вимагає капітального ремонту існуючої мережевої інфраструктури, особливо додатків радіочастотного живлення. Технологія GaN є ключем до розвитку цього нового типу інфраструктури.
Нітрид галію (GaN) є відносно новий напівпровідник для комерційних застосувань. Його енергоефективність, щільність потужності, і здатність обробляти більш широкий діапазон частот роблять його ідеальним для масивних базових станцій MIMO.
Сьогодні, ми обговоримо значення GaN як напівпровідника, його розподіл у галузевому ланцюзі, основні проблеми виробничого процесу, і що ми можемо очікувати від застосувань GaN.
1 Значення напівпровідників GaN
нітрид галію (GaN) є широкозонним складним напівпровідниковим матеріалом із такими властивостями.
(1) Висока напруженість електричного поля пробою значно покращує щільність струму та здатність витримувати напругу силових пристроїв з нітриду галію, одночасно зменшуючи втрати провідності.
(2) Широка заборонена зона та велика ширина забороненої зони значно зменшують струм витоку напівпровідникового приладу GaN і роблять його стійким до випромінювання. В той самий час, ширша заборонена зона означає, що нітрид галію може витримувати високу напругу, а висока напруга означає, що програми високої потужності, можна досягти високої щільності вихідної енергії та стійкості до високих температур.
(3) Висока теплопровідність і чудова тепловіддача, це означає, що інтеграція та щільність потужності пристроїв з нітриду галію можуть бути вищими, ніж у традиційних компонентів.
(4) Дрейф насичення електронів швидкий і може працювати на більш високих частотах.
(5) Діелектрична проникність мала, що може зменшити струм витоку інтегральної схеми, зменшити ефект ємності між проводами, і зменшити нагрівання інтегральної схеми.
(6) Хімічні властивості стабільні і не піддаються корозії.
(7) Вюрцитоподібна структура, висока твердість.
Завдяки цим властивостям нітрид галію став центром уваги 5G RF. GaN може краще підтримувати легкі електронні вироби. Наприклад, Адаптери живлення ПК, які використовують транзистори GaN, менші та легші, ніж зарядні пристрої, які є звичайними сьогодні.
За сторонніми підрахунками, після використання приладів GaN, стандартні зарядні пристрої для мобільних телефонів можуть схуднути до 40%. Або видавати більше потужності за тих самих умов розміру, Подібних покращень продуктивності можна досягти з точки зору енергоефективності та щільності потужності, які підходять для різних електронних продуктів, таких як споживач, промисловий, і автомобільний.
2 Ланцюг напівпровідникової промисловості GaN
Ланками в ланцюжку напівпровідникової промисловості GaN є: Монокристалічна підкладка GaN → епітаксійний матеріал GaN → дизайн пристрою → виготовлення пристрою.
(1) Монокристалічна підкладка GaN
Серед підкладок GaN в основному домінують японські компанії, а японська Sumitomo Electric має частку ринку понад 90%.
(2) Епітаксіальна пластина GaN
Компанії, пов’язані з епітаксійними пластинами GaN, в основному включають Epi-GaN у Бельгії, IQE у Великобританії, і NTT-AT в Японії. Китайські виробники включають Suzhou Jingzhan, Suzhou Nenghua і Century Jinguang.
(3) Пристрої GaN
З точки зору розробників GaN пристроїв, є EPC, МА-КОМ, Transphom, Navitas в США, Діалог в Німеччині, і Амплеон, яка була придбана китайським капіталом, у Китаї.
Серед глобальних незалежних постачальників дизайну та виробництва (IDM) приладів GaN RF, Sumitomo Electric і Cree є провідними компаніями в галузі, з часткою ринку понад 30%, а потім Qorvo і MACOM. Sumitomo Electric займає велику частку ринку бездротового зв'язку. Вона стала основним постачальником Huawei та найбільшим постачальником радіочастотних пристроїв Huawei GaN. В додаток, є Exagan у Франції, NXP в Нідерландах, Infineon в Німеччині, Mitsubishi Electric в Японії, і II-VI в США.
3 Основні процеси виробництва GaN приладів
Одним з них є процес нітриду галію GaN RF на основі карбіду кремнію SiC як підкладки, який використовується компанією Qorvo та більшістю виробників. Одним з них є радіочастотний процес нітриду галію GaN, де домінує Macom на основі кремнію Si як підкладки..
Обидва радіочастотні процеси мають свої плюси та мінуси. Відповідно до Qorvo, RF процес GaN на основі карбіду кремнію має вищу щільність потужності та кращу теплопровідність, ніж GaN на основі GaN на основі кремнію.
4 Проблеми, які необхідно вирішити
①Процес виробництва напівпровідникових матеріалів на основі нітриду галію є відносно складним, а продуктивність нижча, ніж у традиційних кремнієвих напівпровідникових матеріалів..
②Ціна напівпровідникових матеріалів нітриду галію висока, і ціна МОП трубок з напівпровідниковими матеріалами нітриду галію становить майже 20 разів більше, ніж у традиційних кремнієвих напівпровідникових матеріалів.
③ Велика кількість патентів на процеси виробництва напівпровідників із нітриду галію та компоненти знаходяться в руках таких країн, як Європа, Америка, Японії та Південної Кореї, і значна кількість ключових компонентів також залежить від імпорту.
5 Застосування нітриду галію
Комунікаційне поле: 5G потужна базова станція GaN підсилювач потужності в основному використовується в потужній базовій станції 5G, який вирішує проблему невеликої території, але відносно концентрованого трафіку даних у мобільній мережі 5G. Монолітний підсилювач потужності GaN базової станції міліметрового діапазону 5G має характеристики надширокої смуги пропускання та наднизької затримки.
Силові напівпровідникові поля, такі як електромобілі, фотоелектричні та інтелектуальні мережі: Наразі, IGBT, що використовуються в електромобілях, фотовольтаїка, інтелектуальні мережі та інші сфери є матеріалами на основі кремнію. В майбутньому, Технологія нітриду галію зробить подальші прориви та проникне в область напівпровідників IGBT. В додаток, багато рішень для швидкої зарядки мобільних телефонів також використовують розчини нітриду галію.
Особливо при напрузі близько 600В, Нітрид галію має очевидні переваги в управлінні живленням, виробництво електроенергії та вихідна потужність, що робить енергетичні продукти з матеріалів нітриду галію тоншими та ефективнішими.
А зарядний штекер GaN має невеликий розмір і високу потужність, і має можливість у майбутньому об’єднати ринок зарядних пристроїв для мобільних телефонів і зв’язку.
Військове поле: Він широко використовувався в різних військових радіолокаційних пристроях, особливо бортових РЛС з активною фазованою решіткою нових винищувачів.
Електронне поле: Для високої частоти підходять транзистори нітриду галію, висока напруга та висока температура. На основі транзисторів нітриду галію замість MOSFET на основі кремнію, випускаються напівмостові DC/DC силові модулі з жорсткою комутацією з функцією синхронного випрямлення.
Використання транзисторів GaN дозволяє модулям живлення DC/DC працювати на більш високих частотах без значного зниження ефективності, в той самий час, невеликий LC-фільтр можна використовувати для досягнення низьких вихідних пульсацій, яка має переваги невеликого розміру, висока ефективність, невелика пульсація і швидкий динамічний відгук.
