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氮化镓目前大规模商用的领域介绍

氮化镓,分子式GaN,英文名称Gallium nitride,是一种氮(V)和镓(III)的III-V族化合物,直接带隙(Direct Bandgap)(直接跃迁型)的半导体材料,具有带隙宽(室温下,Eg=3.39eV)、原子键强、导热率高、化学性能稳定(几乎不被任何酸腐蚀)、抗辐照能力强、结构类似纤锌矿、硬度很高等特点。

氮化镓目前大规模商用的领域介绍

GaN被誉为继第一代Ge、Si半导体材料,第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

氮化镓相比传统硅基半导体,有着比硅基半导体出色的击穿能力,更高的电子密度和电子迁移率,还有更高的工作温度。

这首先体现了低损耗和高开关频率,低损耗可降低导阻带来的发热,高开关频率可减小变压器和电容的体积,有助于减小充电器的体积和重量。同时GaN具有更小的Qg,可以很容易的提升频率,降低驱动损耗。

不过制造工艺上氮化镓和传统硅基半导体不同。氮化镓的衬底是在高温下利用金属有机气相沉积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)技术生长的。氮化镓与一般半导体材料的最大区别是禁带更宽。

禁带宽度是表征价电子被束缚强弱程度的一个物理量,禁带越宽,对价电子的束缚越紧,使价电子摆脱束缚成为自由电子的能量越大。禁带宽度也决定了自由移动电子的质量。

氮化镓应用风口

氮化镓的诞生,伴随着科技发展服务人类美好生活的使命而来。众多新技术、新应用、新市场,在氮化镓从实验室走向市场那一刻,注定吸引了全球眼球。

这些新兴的市场就包括了5G、射频、快充等等,我们列举几个氮化镓目前即将大规模商用的领域与大家分享。

1、5G商用临近

氮化镓目前大规模商用的领域介绍

射频氮化镓技术是5G的绝配,基站功放使用氮化镓。氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)是射频应用中常用的三五价半导体材料。

与砷化镓和磷化铟等高频工艺相比,氮化镓器件输出的功率更大;与LDCMOS和碳化硅(SiC)等功率工艺相比,氮化镓的频率特性更好。氮化镓器件的瞬时带宽更高,这一点很重要,智能家居行业资讯,载波聚合技术的使用以及准备使用更高频率的载波都是为了得到更大的带宽。

与硅或者其他三五价器件相比,氮化镓速度更快。GaN可以实现更高的功率密度。对于既定功率水平,GaN具有体积小的优势。有了更小的器件,就可以减小器件电容,从而使得较高带宽系统的设计变得更加轻松。射频电路中的一个关键组成是PA(Power Amplifier,功率放大器)。

从目前的应用上看,功率放大器主要由砷化镓功率放大器和互补式金属氧化物半导体功率放大器(CMOS PA)组成,其中又以GaAs PA为主流,但随着5G的到来,砷化镓器件将无法满足在如此高的频率下保持高集成度。

于是,GaN成为下一个热点。氮化镓作为一种宽禁带半导体,可承受更高的工作电压,意味着其功率密度及可工作温度更高,因而具有高功率密度、低能耗、适合高频率、支持宽带宽等特点。

高通公司总裁 Cristiano Amon 在2018 高通 4G / 5G 峰会上表示:预计明年上半年和年底圣诞新年档期将会是两波 5G 手机上市潮,首批商用 5G 手机即将登场。据介绍,5G 技术预计将提供比目前的 4G 网络快 10 至 100 倍的速度,达到每秒千兆的级别,同时能够更为有效地降低延迟。

在5G的关键技术Massive MIMO应用中,基站收发信机上使用大数量(如32/64等)的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和连接可靠性,这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套,因此射频器件的数量将大为增加,器件的尺寸大小很关键,利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案,如模块化射频前端器件。

同时在5G毫米波应用上,GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下,可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。实现性能成本的最优化组合。

氮化镓目前大规模商用的领域介绍

除了基站射频收发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加,基站密度和基站数量也会大为增加,因此相比3G、4G时代,5G时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加,因此成本的控制非常关键,而硅基氮化镓在成本上具有巨大的优势,随着硅基氮化镓技术的成熟,它能以最大的性价比优势取得市场的突破。

2、消费类产品快充需求旺盛

随着电子产品的屏幕越来越大,充电器的功率也随之增大,尤其是对于大功率的快充充电器,使用传统的功率开关无法改变充电器的现状。