De indrukwekkende kwaliteiten van wide-bandgap (WBG) halfgeleiders zoals galliumnitride (GaN) en siliciumcarbide (SiC) hebben ze aantrekkelijk gemaakt voor verschillende markten, waaronder elektrische voertuigen, PV-omvormers, snelladers en telecommunicatie. GaN en SiC zijn gericht op de energie die nodig is om elektronen in deze materialen van de valentieband naar de geleidingsband te verplaatsen. Deze energie, of bandgap, is 1.1 eV voor silicium (Si), ongeveer 3.2 eV voor SiC en 3.4 eV voor GaN. Die eigenschappen leiden tot een hogere toepasselijke uitsplitsing spanning, die in sommige toepassingen kan oplopen tot 1,700 V.
5G is het netwerk van de nieuwste generatie dat klaar is om het internet der dingen mogelijk te maken. Netwerken met 5G zullen tot 20× sneller zijn dan het bestaande 4G-netwerk, waardoor video-downloadsnelheden tot 10× sneller mogelijk zijn. Hoogwaardige vermogenshalfgeleiders zoals GaN en SiC spelen een sleutelrol in 5G radiofrequentie (RF)-oplossingen, draadloze vermogensoverdracht (WPT) en voedingen voor basisstations.
Om aan de stroomvereisten in deze toepassingen te voldoen, wenden OEM's zich met name tot GaN. Een op GaN gebaseerd energiesysteem kan een goede optie zijn om te voldoen aan de strenge eisen op het gebied van datatransmissie en energie-efficiëntie.
5G-basisstations moeten signalen verzenden in lage, gemiddelde en mmWave-banden. Naarmate de frequenties toenemen, neemt ook het vermogen toe dat nodig is om over bruikbare afstanden te zenden. Vanwege zijn hoogfrequente kenmerken biedt GaN voordelen ten opzichte van andere processen voor gebruik in 5G-basisstation-vermogensversterkers (PA's).
Afbeelding 1: Vergelijking van vermogen en frequentie van verschillende materialen in het microgolfbereik, waaronder mmWave (Bron: Analog Devices Inc.)
De strenge vereisten voor 5G omvatten verdichting op macroschaal, met meerdere basisstations en vermogensverdichting op apparaatniveau. Yole Développement voorspelt dat GaN de komende decennia aanzienlijk zal doordringen in twee markten met een samengesteld jaarlijks groeipercentage van 20%, namelijk voor defensie en draadloze telecommunicatie. GaN zal een sleutelrol spelen in hoogwaardige draadloze oplossingen met zijn energie-efficiëntieniveaus en hoogfrequente prestaties.
Galliumnitride
Vergeleken met Si en galliumarsenide (GaAs) Halfgeleider materialen, GaN en SiC zijn beide breedbandverbindingen halfgeleider wafers, die de kenmerken hebben van een hoge elektrische doorslagsterkte, hoge driftsnelheid van verzadigde elektronen, hoge thermische geleidbaarheid en lage diëlektrische constante. De kenmerken met laag verlies en hoge schakelfrequentie zijn geschikt voor de vervaardiging van elektronische apparaten met hoge frequentie, hoog vermogen, klein volume (grootte) en hoge dichtheid.
Het GaN-materiaal voor fabrikanten van 5G-halfgeleiders is gericht op het gebied van microgolf-, hoogfrequente en laagvermogen (minder dan 1,000 V) apparaten en lasers. Vergeleken met Si-lateraal gediffundeerde metaaloxide-halfgeleider (LDMOS) technologie en GaAs-oplossingen kunnen GaN-apparaten meer vermogen en bandbreedte bieden.
GaN-vermogenshalfgeleiders zullen elk jaar een sprong maken in vermogensdichtheid en verpakking en kunnen beter worden aangepast aan massale MIMO-technologie. GaN hoge elektronenmobiliteit Transistor (HEMT) halfgeleiderepitaxie is een belangrijke technologie geworden voor PA's die worden gebruikt in 5G-macrobasisstations.
De markt voor RF-vermogensapparaten voor basisstations was in 1.1 $ 2014 miljard waard, toen GaN een aandeel van 11% voor zijn rekening nam en het aandeel van LDMOS 88%, volgens Yole Développement. Deze schatting steeg tot een aandeel van 25% in 2017 en vertoont een opwaartse trend (Figuur 2). Yole voorspelt dat de totale markt voor GaN RF-apparaten in 2.4 meer dan $ 2026 miljard zal bedragen, gedomineerd door 5G-telecominfrastructuur en defensietoepassingen, die respectievelijk 41% en 49% van de markt vertegenwoordigen.
Afbeelding 2: GaN zal naar verwachting de markt voor RF-vermogensapparaten in 2025 domineren. (Bron: Yole Développement)
GaN-op-SiC-oplossingen zijn een uitstekende kandidaat voor 5G-telecom, omdat ze een hoge efficiëntie bieden in een Doherty-configuratie bij hogere frequenties over een grotere bandbreedte dan Si LDMOS-transistors. GaN Transistor technologie kan ook behoorlijk robuust zijn en werken met ernstige belastingsverschillen op hoog vermogen met minimale prestatievermindering.
Het mmWave-spectrum is cruciaal voor de realisatie van 5G. Kleine cellen kunnen dicht bij elkaar worden geplaatst in stedelijke omgevingen voor zichtlijnverbindingen, waardoor de verliesgevende voortplantingseigenschappen van hoogfrequente signalen worden verminderd.
5G en energiebeheer
Bij de fabricage van halfgeleiders wordt GaN gewoonlijk bij hoge temperatuur (ongeveer 1,100°C) gekweekt door metaal-organische chemische dampafzetting of moleculaire bundelepitaxietechnieken op een SiC-substraat voor RF-toepassingen, of silicium voor vermogenselektronische toepassingen.
De GaN-op-Si-combinatie presteert niet goed, omdat deze hogere RF-verliezen vertoont, maar blijkt goedkoper te zijn. GaN-op-SiC daarentegen onderscheidt zich om verschillende redenen in RF-toepassingen: het GaN-materiaal biedt veel hogere spanningen dan andere halfgeleiderapparaten, zoals hierboven vermeld, en het garandeert ook hoge verzadigingspercentages. Wanneer GaN wordt gecombineerd met een grote laadcapaciteit, vertaalt dit zich in een veel hogere stroomdichtheid voor apparaten. Het SiC-substraat heeft een relatief hoge thermische geleidbaarheid (~120 W/mK), zodat warmte gemakkelijker van de transistor naar het koellichaam kan worden afgevoerd.
De kwaliteit van de 5G-dekking is afhankelijk van veel elementen, waaronder de omgeving. Het 5G-signaal kan worden onderbroken door muren, watertorens en andere barrières voor RF-voortplanting. De rijping van 5G-technologie ondersteund door WBG-halfgeleiders, IoT en draadloos opladen zal samenwerken om meer technologische innovatie voor de 5G-infrastructuur te creëren.
Op magnetische resonantie gebaseerde WPT-technologieën zoals de technologie van AirFuel zijn de afgelopen jaren opgekomen dankzij hun hoge werkfrequentie (6.78 MHz) en het vermogen om locatieflexibiliteit, een groter bereik en oplaadmogelijkheden voor meerdere apparaten te bieden. De draadloze technologie is algemeen bekend, maar het ontwerp van zenders, hun locatie, het maximaliseren van de efficiëntie en het valideren van het gedrag van het hele systeem vormen grote uitdagingen die het gebruik van complexe technische oplossingen vereisen.
Met de komst van 5G-netwerken zullen mmWave-frequenties met een grote bandbreedte worden gebruikt. In toepassingen met vaste draadloze toegang (FWA) heeft de externe netwerkeenheid voeding nodig van de interne voedingslijn en adapters. In plaats van bekabelde oplossingen kan een WPT-systeem worden gebruikt voor stroomoverdracht voor de externe netwerkeenheid en ook worden gebruikt voor 5G-microbasisstations en IoT-apparaten zoals IP-camera's en optische netwerkterminals (fiber-to-home).
Het conventionele WPT-systeem bestaat uit een constante stroom RF-bron met een PA en spoelen die fungeren als zender (Tx) en ontvanger (Rx) met specifieke kenmerken. Aan de ontvangerzijde zet een full-bridge gelijkrichter het gekoppelde RF-vermogen om in een DC-signaal. Een oplossing voor PA's wordt geboden door apparaten met GaN-technologie, die end-to-end meer dan 80% efficiëntie kunnen bieden, vergelijkbaar met bekabelde systemen, over een zeer breed impedantiebereik.
Koppelspoelen moeten worden geoptimaliseerd door een hoge koppelfactor (Q) aan te bieden. De Q van de zenderspoel moet groot genoeg zijn om een hoge onderlinge koppelingsfactor te bereiken om meer vermogen naar de andere kant van de muur over te brengen in FWA-toepassingen. Op basis van berekeningen van GaN Systems is een typische spoelmaat van 200 × 200 mm groot genoeg om vermogen over te dragen op een afstand van 250 mm. De ingenieurs van GaN Systems gebruikten een klasse EF2-versterkertopologie en een combinatie van T-type plus Pi-type impedantie-aanpassing.
Afbeelding 3: GaN Systems' WPT-systeem voor 5G FWA-oplaadtoepassingen voor buitenunits (Bron: GaN Systems)
Nieuwbouw
Chipmakers beginnen zich meer te concentreren op de ontwikkeling van hun GaN-halfgeleidertechnologie voor de 5G-markt. Een voorbeeld is GaN PA van Mitsubishi Electric Corp module, afmeting 6 × 10 mm, voor 5G-basisstations. Dit apparaat vereist een minimaal aantal SMD-componenten, inclusief condensatoren en inductoren, in de koppeling circuit om de hoogwaardige signaaluitvoer te regelen. De geïntegreerde GaN-transistors helpen de efficiëntie van de eindversterker te verhogen.
Het gebruik van SMD-apparaten voor het koppelcircuit kan de grootte van de vormfactor verkleinen, maar kan ook de energie-efficiëntie verminderen, aangezien deze apparaten vaak een hoog vermogensverlies hebben. De nieuwe technologie van Mitsubishi Electric creëert echter een koppelingscircuit met een kleiner aantal SMD's en biedt tegelijkertijd een hoger energierendement. De SMD's bieden ook dezelfde elektrische eigenschappen als transmissielijnen van metaalfolie.
NXP Semiconductors opende onlangs een nieuwe fabriek in Arizona, gewijd aan de productie van GaN-transistors voor 5G PA's. De apparaten worden geproduceerd met SiC als substraat, waardoor GaN-op-SiC ontstaat. SiC blijkt uitstekend te zijn als warmtegeleider, wat cruciaal is omdat 5G een betere efficiëntie nodig heeft en tot 64 antenne-elementen aanstuurt, met een vermogen variërend van 5 W tot 60 W of 80 W.
GaN-op-SiC combineert de hoge vermogensdichtheid van GaN met de superieure thermische geleidbaarheid en lage RF-verliezen van SiC voor 5G-toepassingen. De hogere efficiëntie betekent ook een vermindering van de afmetingen en het gewicht, waardoor ze eenvoudiger en goedkoper te installeren en te beheren zijn. Dit kan een verschil maken op particuliere 5G-netwerken die zijn geïnstalleerd in fabrieken en andere faciliteiten.
De vlaggenschipproducten van de nieuwe fab zijn RF-vermogensversterkers voor de 5G-radio-infrastructuur waarvoor een MIMO-antenne-oplossing met 32 of 64 elementen in een phased-array radarconfiguratie vereist is, samen met meer traditionele antenne-oplossingen met een hoger vermogen.
over Analog DevicesGaN Systems Inc.Yole Development