窒化ガリウム（GaN）や炭化ケイ素（SiC）などのワイドバンドギャップ（WBG）半導体の優れた品質により、電気自動車、PVインバーター、急速充電器、電気通信など、いくつかの市場にアピールしています。 GaNとSiCは、これらの材料の電子を価電子帯から伝導帯にシフトするために必要なエネルギーに焦点を合わせています。 このエネルギー、つまりバンドギャップは、シリコン（Si）で1.1 eV、SiCで約3.2 eV、GaNで3.4eVです。 これらのプロパティは、より高い適用可能な内訳につながります 電圧、一部のアプリケーションでは最大1,700Vに達する可能性があります。
5Gは、モノのインターネットを強化する態勢を整えている最新世代のネットワークです。 5Gを実行しているネットワークは、既存の20Gネットワークよりも最大4倍高速になり、ビデオのダウンロード速度が最大10倍高速になります。 GaNやSiCなどの高性能パワー半導体は、5G無線周波数（RF）ソリューション、ワイヤレス電力伝送（WPT）、および基地局電源で重要な役割を果たしています。
これらのアプリケーションの電力要件を満たすために、OEMは特にGaNに目を向けています。 GaNベースの電力システムは、データ伝送とエネルギー効率の要件の厳しい要求をサポートするための優れたオプションを提供できます。
5G基地局は、低、中、ミリ波帯域で信号を送信する必要があります。 周波数が高くなると、有用な距離を伝送するために必要な電力も高くなります。 GaNは、その高周波特性により、5G基地局パワーアンプ（PA）で使用する他のプロセスよりも優れています。
図1：ミリ波を含むマイクロ波範囲のさまざまな材料の電力と周波数の比較（出典：Analog Devices Inc.）
5Gの厳しい要件には、複数の基地局とデバイスレベルでの電力の高密度化を伴うマクロスケールの高密度化が含まれます。 YoleDéveloppementは、GaNが今後数十年間で年複利成長率20％のXNUMXつの市場、つまり防衛と無線通信に大きく浸透すると予測しています。 GaNは、その電力効率レベルと高周波性能により、高性能ワイヤレスソリューションで重要な役割を果たします。
窒化ガリウム
Siおよびガリウムヒ素（GaAs）との比較 半導体 材料、GaN と SiC は両方とも広帯域化合物です 半導体 ウェーハは、高い破壊電界強度、高い飽和電子ドリフト速度、高い熱伝導率、および低い誘電率という特性を備えています。 低損失かつ高スイッチング周波数特性は、高周波、高出力、小型、高密度の電子デバイスの製造に適しています。
5G 半導体メーカー向けの GaN 材料は、マイクロ波、高周波、低電力 (1,000 V 未満) デバイスおよびレーザーの分野を対象としています。 Si 横方向拡散金属酸化膜半導体 (LDMOS) との比較 テクノロジー GaAs ソリューションを使用すると、GaN デバイスはより多くの電力と帯域幅を提供できます。
GaNパワー半導体は、毎年電力密度とパッケージングを飛躍的に向上させ、大規模MIMOテクノロジーによりよく適応させることができます。 GaNの高電子移動度 トランジスタ （HEMT）半導体エピタキシーは、5Gマクロ基地局で使用されるPAにとって重要な技術になっています。
YoleDéveloppementによると、基地局用のRFパワーデバイスの市場は1.1年に2014億ドルの価値があり、GaNが11％のシェアを占め、LDMOSのシェアが88％でした。. この見積もりは25年までに2017％のシェアに増加し、上昇傾向にあります（図2）。 Yoleは、GaN RFデバイス市場全体が2.4年までに2026億ドルを超えると予測しており、5G通信インフラストラクチャと防衛アプリケーションが支配的であり、それぞれ市場の41％と49％を占めています。
図2：GaNは、2025年までにRFパワーデバイス市場を支配すると予測されています。（出典：YoleDéveloppement）
GaN-on-SiCソリューションは、Si LDMOSトランジスタよりも広い帯域幅にわたって、より高い周波数でドハティ構成で高効率を提供するため、5Gテレコムの主要な候補です。 GaN トランジスタ テクノロジーは非常に堅牢であり、パフォーマンスの低下を最小限に抑えながら、高電力で深刻な負荷の不一致で動作します。
ミリ波スペクトルは、5Gの実現に不可欠です。 小さなセルは、見通し内リンクのために都市環境に近接して配置でき、高周波信号の損失の多い伝搬特性を軽減します。
5Gと電力管理
半導体製造では、GaNは通常、RFアプリケーションの場合はSiC基板上、パワーエレクトロニクスアプリケーションの場合はシリコン上に有機金属化学蒸着法または分子線エピタキシー法によって高温（約1,100°C）で成長します。
GaN-on-Siの組み合わせは、RF損失が高いため、うまく機能しませんが、安価であることが証明されています。 一方、GaN-on-SiCは、いくつかの理由でRFアプリケーションで際立っています。前述のように、GaN材料は他の半導体デバイスよりもはるかに高い電圧を提供し、高い飽和率も保証します。 GaNを大きな充電容量と組み合わせると、これはデバイスの電流密度がはるかに高くなることを意味します。 SiC基板は比較的高い熱伝導率（〜120 W / mK）を備えているため、トランジスタからヒートシンクへの熱をより簡単に除去できます。
5Gカバレッジの品質は、周囲の環境を含む多くの要素に依存します。 5G信号は、壁、給水塔、およびRF伝搬に対するその他の障壁によって中断される可能性があります。 WBG半導体、IoT、ワイヤレス充電によってサポートされる5Gテクノロジーの成熟は、5Gインフラストラクチャのより多くの技術革新を生み出すために連携して機能します。
AirFuelのテクノロジーなどの磁気共振ベースのWPTテクノロジーは、その高い動作周波数（6.78 MHz）の強さと、ロケーションの柔軟性、拡張範囲、およびマルチデバイス充電機能を提供する機能により、近年登場しました。 ワイヤレステクノロジーはよく知られていますが、送信機の設計、その位置、効率の最大化、およびシステム全体の動作の検証は、複雑なエンジニアリングソリューションの使用を必要とする大きな課題を表しています。
5Gネットワークの出現により、広い帯域幅でミリ波周波数が使用されるようになります。 固定無線アクセス（FWA）アプリケーションでは、外部ネットワークユニットは内部電力線とアダプターからの電力を必要とします。 有線ソリューションの代わりに、WPTシステムを外部ネットワークユニットの電力伝送に使用できます。また、5Gマイクロ基地局やIPカメラや光ネットワーク端末（ファイバーツーホーム）などのIoTデバイスにも使用できます。
従来のWPTシステムは、PAを備えた定電流RFソースと、特定の特性を持つ送信機（Tx）および受信機（Rx）として機能するコイルで構成されています。 受信機側では、フルブリッジ整流器が結合されたRF電力をDC信号に変換します。 PAのソリューションは、非常に広いインピーダンス範囲で、有線システムと同等の80％を超える効率をエンドツーエンドで提供できるGaNテクノロジーデバイスによって提供されます。
結合コイルは、高い結合係数（Q）を提供することによって最適化する必要があります。 送信機コイルのQは、FWAアプリケーションで壁の反対側により多くの電力を転送するために、高い相互結合係数を達成するのに十分な大きさである必要があります。 GaNシステムの計算に基づくと、200×200 mmの一般的なコイルサイズは、250mmの距離で電力を伝達するのに十分な大きさです。 GaN Systemsのエンジニアは、クラスEF2アンプトポロジと、TタイプとPiタイプのインピーダンス整合の組み合わせを使用しました。
図3：5G FWA室外ユニット充電アプリケーション向けのGaNシステムのWPTシステム（出典：GaNシステム）
新展開
チップメーカーは、5G市場向けのGaNパワー半導体技術の開発にさらに注力し始めています。 一例として、三菱電機のGaN PAが挙げられます。 モジュール、寸法 6 × 10 mm、5G 基地局用。 このデバイスは、カップリングにコンデンサやインダクタを含む最小限の SMD コンポーネントを必要とします。 回路 高品質の信号出力を制御します。 統合されたGaNトランジスタは、パワーアンプの効率を高めるのに役立ちます。
結合回路にSMDデバイスを使用すると、フォームファクタのサイズを小さくすることができますが、これらのデバイスは電力損失が大きくなる傾向があるため、エネルギー効率も低下する可能性があります。 しかし、三菱電機の新技術は、より高い電力効率を提供しながら、より少ない数のSMDを使用して結合回路を作成します。 SMDは、金属箔伝送ラインと同じ電気的特性も提供します。
NXPセミコンダクターズは最近、5GPA用のGaNトランジスタの製造に特化した新しいファブをアリゾナに開設しました。 デバイスは、基板としてSiCを使用して製造されているため、GaN-on-SiCが作成されます。 SiCは熱伝導体として優れていることが証明されています。これは、5Gがより高い効率を必要とし、64Wから5Wまたは60Wの範囲の電力で最大80個のアンテナ要素を駆動するために重要です。
GaN-on-SiCは、GaNの高電力密度機能と、5Gアプリケーション向けのSiCの優れた熱伝導率および低RF損失を兼ね備えています。 効率が高いということは、サイズと重量が削減されることも意味し、設置と管理がより簡単で安価になります。 これは、工場やその他の施設に設置されたプライベート5Gネットワークに違いをもたらす可能性があります。
新しいファブの主力製品は、フェーズドアレイレーダー構成で5または32エレメントのMIMOアンテナソリューションと、従来の高出力アンテナソリューションを必要とする64G無線インフラストラクチャ用のRFパワーアンプです。
アナログ・デバイセズについてGaN Systems Inc.Yole Developmentpement