超级 “力量” 5G – 氮化镓(氮化镓)
超级 “力量” 5G – 氮化镓(氮化镓)
世界对 5G 技术感到兴奋. 5G 将提供闪电般的速度 20 比 4G LTE 快几倍，并开辟了许多超出我们想象的创新应用和机会。但它也需要彻底改造现有的网络基础设施——尤其是射频功率应用. GaN技术是推动这种新型基础设施的关键.
氮化镓 (氮化镓) 是一个相对 新半导体 用于商业应用. 其电源效率, 功率密度, 以及处理更宽频率范围的能力使其成为大规模 MIMO 基站的理想选择.
今天, 我们将讨论 GaN 作为半导体的价值, 其产业链分布, 关键生产工艺挑战, 以及我们对 GaN 应用的期望.
1 GaN半导体的价值
氮化镓 (氮化镓) 是一种宽带隙化合物半导体材料，具有以下特性.
(1) 高击穿电场强度大大提高氮化镓功率器件的电流密度和耐压能力, 同时减少传导损耗.
(2) 宽带隙和大禁带宽度大大降低了GaN半导体器件的漏电流并使其具有抗辐射能力. 同时, 更宽的禁带宽度意味着氮化镓可以承受高电压, 高电压意味着高功率应用, 可实现高输出能量密度和耐高温.
(3) 高导热率和优异的散热性能, 这意味着氮化镓器件的集成度和功率密度可以高于传统器件.
(4) 电子饱和漂移快，可以工作在更高的频率.
(5) 介电常数小, 可以减少集成电路的漏电流, 减少导线之间的电容效应, 并减少集成电路的发热.
(6) 化学性质稳定，不易腐蚀.
(7) 类纤锌矿结构, 高硬度.
这些特性使氮化镓成为 5G RF 焦点. GaN可以更好地支撑电子产品的轻量化. 例如, 使用 GaN 晶体管的 PC 电源适配器比当今常见的充电器更小、更轻.
根据第三方测算, 使用GaN器件后, 标准手机充电器最多可减轻重量 40%. 或者在同等尺寸条件下输出更大的功率, 在能源效率和功率密度方面可以实现类似的性能改进, 适用于消费类等各种电子产品, 工业的, 和汽车.
2 氮化镓半导体产业链
GaN半导体产业链的环节是: GaN单晶衬底→GaN材料外延→器件设计→器件制造.
(1) 氮化镓单晶衬底
GaN衬底主要由日本企业主导, 日本住友电工的市场份额超过 90%.
(2) 氮化镓外延片
GaN外延片相关企业主要有比利时的Epi-GaN, 英国的IQE, 和日本 NTT-AT. 中国制造商包括苏州精展, Suzhou Nenghua and Century Jinguang.
(3) 氮化镓器件
就 GaN 器件设计人员而言, 有EPC, 玛康, 转运蛋白, 纳维在美国, 德国对话, 和安普隆, 被中国资本收购, 在中国.
跻身全球独立设计及生产供应商行列 (IDM) GaN 射频器件, 住友电工和Cree是行业领先企业, 市场占有率超过 30%, 其次是 Qorvo 和 MACOM. 住友电工在无线通信领域拥有较大市场份额. 成为华为核心供应商、华为GaN射频器件最大供应商. 此外, 法国有Exagan, 恩智浦在荷兰, 英飞凌在德国, 日本三菱电机, 以及美国的II-VI.
3 GaN器件主要生产工艺
一是以碳化硅SiC为衬底的氮化镓GaN射频工艺, Qorvo 和大多数制造商都使用它. 一是Macom主导的基于硅Si为衬底的氮化镓GaN射频工艺.
两种射频工艺都有各自的优缺点。根据 Qorvo 的说法, GaN-on-碳化硅基GaN RF工艺比GaN-on-silicon基GaN具有更高的功率密度和更好的导热性.
4 需要解决的问题
①氮化镓半导体材料生产工艺相对复杂，良率低于传统硅半导体材料.
②氮化镓半导体材料价格高, 而采用氮化镓半导体材料的MOS管价格则接近 20 是传统硅半导体材料的数倍.
③大量氮化镓半导体生产工艺和零部件专利掌握在欧洲等国家手中, 美国, 日本、韩国, 并且相当一部分关键零部件也依赖进口.
5 氮化镓应用
通讯领域: 5G大功率基站GaN功率放大器主要应用于5G大功率基站, 解决5G移动网络区域小但数据流量请求相对集中的问题. 5G毫米波基站GaN单片功放具有超大带宽、超低时延的特点.
电动汽车等功率半导体领域, 光伏发电和智能电网: 现在, 电动汽车中使用的 IGBT, 光伏, 智能电网等领域都是硅基材料. 将来, 氮化镓技术将进一步突破，渗透到IGBT半导体领域. 此外, 很多手机快充方案也采用氮化镓方案.
特别是在600V左右的电压下, 氮化镓在电源管理方面优势明显, 发电和电力输出, 让氮化镓材料的功率产品更薄、更高效.
而且GaN充电插头体积小功率高, 未来有机会统一手机充电器和通讯电源市场.
军事领域: 已广泛应用于各种军用雷达设备, 尤其是新型战斗机机载有源相控阵雷达装置.
电子领域: 氮化镓晶体管适用于高频, 高电压、高温场合. 基于氮化镓晶体管而不是硅基 MOSFET, 生产具有同步整流功能的硬开关半桥DC/DC电源模块.
GaN晶体管的使用使得DC/DC电源模块能够在更高的频率下工作，而效率不会显着下降, 同时, 可使用小型 LC 滤波器来实现低输出纹波, 具有体积小等优点, 高效率, 纹波小、动态响应快.
