질화 갈륨 (GaN) 및 실리콘 카바이드 (SiC)와 같은 광대역 갭 (WBG) 반도체의 인상적인 품질은 전기 자동차, PV 인버터, 고속 충전기 및 통신을 포함한 여러 시장에서 매력적으로 만들었습니다. GaN과 SiC는 이러한 물질의 전자를 가전 자대에서 전도대로 이동시키는 데 필요한 에너지에 초점을 맞추고 있습니다. 이 에너지 또는 밴드 갭은 실리콘 (Si)의 경우 1.1eV, SiC의 경우 약 3.2eV, GaN의 경우 3.4eV입니다. 이러한 속성은 적용 가능한 더 높은 분류로 이어집니다. 전압, 일부 애플리케이션에서 최대 1,700V에 도달 할 수 있습니다.
5G는 사물 인터넷에 전력을 공급할 최신 세대 네트워크입니다. 5G를 실행하는 네트워크는 기존 20G 네트워크보다 최대 4 배 빠르며 비디오 다운로드 속도가 최대 10 배 빨라집니다. GaN 및 SiC와 같은 고성능 전력 반도체는 5G 무선 주파수 (RF) 솔루션, WPT (무선 전력 전송) 및 기지국 전원 공급 장치에서 핵심적인 역할을하고 있습니다.
이러한 애플리케이션의 전력 요구 사항을 충족하기 위해 OEM은 특히 GaN으로 전환하고 있습니다. GaN 기반 전력 시스템은 엄격한 데이터 전송 및 에너지 효율성 요구 사항을 지원하는 좋은 옵션을 제공 할 수 있습니다.
5G 기지국은 저, 중, mmWave 대역에서 신호를 전송해야합니다. 주파수가 증가하면 유용한 거리를 전송하는 데 필요한 전력도 증가합니다. 고주파 특성으로 인해 GaN은 5G 기지국 전력 증폭기 (PA)에 사용하기 위해 다른 프로세스에 비해 이점을 제공합니다.
그림 1 : mmWave를 포함하는 마이크로파 범위에서 다양한 재료의 전력 및 주파수 비교 (출처 : Analog Devices Inc.)
5G에 대한 엄격한 요구 사항에는 장치 수준에서 여러 기지국 및 전력 밀도가있는 거시적 밀도가 포함됩니다. Yole Développement는 GaN이 향후 수십 년 동안 20 %의 연평균 성장률, 즉 국방 및 무선 통신 분야에서 두 시장을 크게 공략 할 것이라고 예측합니다. GaN은 전력 효율성 수준과 고주파 성능을 갖춘 고성능 무선 솔루션에서 핵심적인 역할을 할 것입니다.
질화 갈륨
Si 및 갈륨 비소 (GaAs)와 비교 반도체 재료, GaN 및 SiC는 모두 광대역 화합물입니다. 반도체 높은 항복 전계 강도, 높은 포화 전자 표류 속도, 높은 열 전도성 및 낮은 유전 상수의 특성을 갖는 웨이퍼. 저손실 및 높은 스위칭 주파수 특성은 고주파, 고전력, 소용량(크기), 고밀도 전자 장치 제조에 적합합니다.
5G 반도체 제조업체를 위한 GaN 소재는 마이크로파, 고주파, 저전력(1,000V 미만) 디바이스 및 레이저 분야를 지향하고 있습니다. Si 측면 확산 금속 산화물 반도체(LDMOS)와 비교 technology 및 GaAs 솔루션을 사용하면 GaN 장치는 더 많은 전력과 대역폭을 제공할 수 있습니다.
GaN 전력 반도체는 매년 전력 밀도 및 패키징 분야에서 도약 할 것이며 대규모 MIMO 기술에 더 잘 적응할 수 있습니다. GaN 고 전자 이동성 트랜지스터 (HEMT) 반도체 에피 택시는 5G 매크로 기지국에서 사용되는 PA의 중요한 기술이되었습니다.
Yole Développement에 따르면, 기지국 용 RF 전력 장치 시장은 1.1 년에 GaN이 2014 %, LDMOS의 점유율이 11 % 인 88 억 달러의 가치가있었습니다.. 이 추정치는 25 년까지 2017 %의 점유율로 증가했으며 상승 추세입니다 (그림 2). Yole은 전체 GaN RF 장치 시장이 2.4 년까지 2026 억 달러를 넘어서고 5G 통신 인프라와 방어 애플리케이션이 시장의 각각 41 %와 49 %를 차지할 것이라고 예측합니다.
그림 2 : GaN은 2025 년까지 RF 전력 장치 시장을 지배 할 것으로 예상됩니다. (출처 : Yole Développement)
GaN-on-SiC 솔루션은 Si LDMOS 트랜지스터보다 더 넓은 대역폭에서 더 높은 주파수에서 Doherty 구성에서 높은 효율성을 제공하므로 5G 통신의 주요 후보입니다. GaN 트랜지스터 기술은 또한 성능 저하를 최소화하면서 고전력에서 심각한 부하 불일치로 작동하는 매우 견고 할 수 있습니다.
mmWave 스펙트럼은 5G 구현에 매우 중요합니다. 시선 링크를 위해 도시 환경에서 소형 셀을 서로 가깝게 배치하여 고주파 신호의 손실 전파 특성을 완화 할 수 있습니다.
5G 및 전력 관리
반도체 제조에서 GaN은 일반적으로 RF 응용을위한 SiC 기판 또는 전력 전자 응용을위한 실리콘에서 금속 유기 화학 기상 증착 또는 분자 빔 에피 택시 기술에 의해 고온 (약 1,100 ° C)에서 성장합니다.
GaN-on-Si 조합은 RF 손실이 더 높기 때문에 성능이 좋지 않지만 더 저렴합니다. 반면 GaN-on-SiC는 여러 가지 이유로 RF 애플리케이션에서 두드러집니다. GaN 재료는 위에서 언급 한 것처럼 다른 반도체 장치보다 훨씬 더 높은 전압을 제공하며 높은 포화 율을 보장합니다. GaN이 큰 충전 용량과 결합되면 장치의 전류 밀도가 훨씬 높아집니다. SiC 기판은 상대적으로 높은 열전도율 (~ 120 W / mK)을 가지므로 트랜지스터에서 방열판으로 열을 더 쉽게 제거 할 수 있습니다.
5G 커버리지의 품질은 주변 환경을 포함한 많은 요소에 따라 달라집니다. 5G 신호는 벽, 급수탑 및 기타 RF 전파 장벽에 의해 차단 될 수 있습니다. WBG 반도체, IoT 및 무선 충전이 지원하는 5G 기술의 성숙은 함께 작동하여 5G 인프라에 대한 더 많은 기술 혁신을 창출 할 것입니다.
AirFuel의 기술과 같은 자기 공명 기반 WPT 기술은 최근 몇 년 동안 높은 작동 주파수 (6.78MHz)의 강점과 위치 유연성, 확장 된 범위 및 다중 장치 충전 기능을 제공하는 능력을 바탕으로 등장했습니다. 무선 기술은 잘 알려져 있지만 송신기의 설계, 위치, 효율성 극대화 및 전체 시스템의 동작 검증은 복잡한 엔지니어링 솔루션을 사용해야하는 큰 과제를 나타냅니다.
5G 네트워크의 도래는 대역폭이 큰 mmWave 주파수를 사용하게 될 것입니다. FWA (고정 무선 액세스) 응용 프로그램에서 외부 네트워크 장치에는 내부 전원 라인 및 어댑터의 전원이 필요합니다. 유선 솔루션 대신 WPT 시스템을 외부 네트워크 장치의 전력 전송에 사용할 수 있으며 5G 마이크로 기지국 및 IP 카메라 및 광 네트워크 터미널 (파이버 투 홈)과 같은 IoT 장치에도 사용할 수 있습니다.
기존의 WPT 시스템은 PA가있는 정전류 RF 소스와 특정 특성을 가진 송신기 (Tx) 및 수신기 (Rx) 역할을하는 코일로 구성됩니다. 수신기 측에서는 풀 브리지 정류기가 결합 된 RF 전력을 DC 신호로 변환합니다. PA를위한 솔루션은 GaN 기술 장치에 의해 제공되며, 이는 매우 넓은 임피던스 범위에서 유선 시스템과 동등하게 80 % 이상의 종단 간 효율을 제공 할 수 있습니다.
결합 코일은 높은 결합 계수 (Q)를 제공하여 최적화되어야합니다. 송신기 코일의 Q는 FWA 애플리케이션에서 벽의 다른쪽에 더 많은 전력을 전송하기 위해 높은 상호 결합 계수를 달성 할 수있을만큼 충분히 커야합니다. GaN 시스템의 계산에 따르면 200 × 200mm의 일반적인 코일 크기는 250mm 거리에서 전력을 전송할 수있을만큼 큽니다. GaN Systems의 엔지니어는 Class EF2 증폭기 토폴로지와 T 유형과 Pi 유형 임피던스 매칭의 조합을 사용했습니다.
그림 3 : 5G FWA 실외기 충전 애플리케이션을위한 GaN Systems의 WPT 시스템 (출처 : GaN Systems)
새로운 개발
칩 제조사들은 5G 시장을 위한 GaN 전력 반도체 기술 개발에 더욱 집중하기 시작했습니다. 한 가지 예는 Mitsubishi Electric Corp.의 GaN PA입니다. 모듈, 6G 기지국용 10 × 5mm 크기. 이 장치에는 커플링에 커패시터 및 인덕터를 포함한 최소한의 SMD 구성 요소가 필요합니다. 회로 고품질 신호 출력을 제어합니다. 통합 GaN 트랜지스터는 전력 증폭기의 효율을 높이는 데 도움이됩니다.
커플 링 회로에 SMD 장치를 사용하면 폼 팩터의 크기를 줄일 수 있지만 이러한 장치는 전력 손실이 높은 경향이 있으므로 에너지 효율성을 줄일 수 있습니다. 그러나 Mitsubishi Electric의 새로운 기술은 더 높은 전력 효율을 제공하면서 감소 된 수의 SMD를 사용하여 결합 회로를 생성합니다. SMD는 또한 금속 호일 전송 라인과 동일한 전기적 특성을 제공합니다.
NXP Semiconductors는 최근 애리조나에 5G PA 용 GaN 트랜지스터 생산을 전담하는 새로운 팹을 열었습니다. 소자는 SiC를 기판으로 사용하여 GaN-on-SiC를 생성합니다. SiC는 5G가 더 나은 효율성을 필요로하고 64W ~ 5W 또는 60W의 전력 범위로 최대 80 개의 안테나 요소를 구동하기 때문에 중요한 열 전도체로서 탁월한 것으로 입증되었습니다.
GaN-on-SiC는 GaN의 고전력 밀도 기능과 5G 애플리케이션을위한 SiC의 우수한 열전도율 및 낮은 RF 손실을 결합합니다. 효율성이 높을수록 크기와 무게가 줄어들어 설치 및 관리가 더 쉽고 비용이 적게 듭니다. 이는 공장 및 기타 시설에 설치된 사설 5G 네트워크에 차이를 만들 수 있습니다.
새로운 팹의 주력 제품은보다 전통적인 고전력 안테나 솔루션과 함께 위상 배열 레이더 구성에서 5 개 또는 32 개의 요소가 포함 된 MIMO 안테나 솔루션이 필요한 64G 무선 인프라 용 RF 전력 증폭기입니다.
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