中国电子技术网

设为首页 网站地图 加入收藏

 
 

5G时代,GaN器件或将迎来爆发式增长

关键词:5G GaN器件 SiC

时间:2020-05-08 16:09:27      来源:中电网

半导体技术在不断提升,端设备对于半导体器件性能、效率、小型化要求的越来越高。寻找硅(Si)以外新一代的半导体材料也随之变得更加重要。在50多年前被广泛用于LED产品的氮化镓(GaN),再次走入大众视野。特别是随着5G的逐步商用,也进一步推动了以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)代表的第三代半导体材料的快速发展。

半导体技术在不断提升,端设备对于半导体器件性能、效率、小型化要求的越来越高。寻找硅(Si)以外新一代的半导体材料也随之变得更加重要。在50多年前被广泛用于LED产品的氮化镓(GaN),再次走入大众视野。特别是随着5G的逐步商用,也进一步推动了以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)代表的第三代半导体材料的快速发展。

意法半导体功率晶体管部门,战略市场、创新及重点项目经理Filippo Di Giovanni

氮化镓or碳化硅?谁将成为5G时代的最大受益者?

意法半导体功率晶体管部门,战略市场、创新及重点项目经理Filippo Di Giovanni先生在与中电网记者的邀约采访中称,对于整个第三代半导体技术,尤其是氮化镓(GaN),5G开始商用是一大利好。根据法国市场分析机构Yole Développement的调查报告,到2024年,宽带隙射频功率半导体市场规模将超过20亿美元。第三代半导体材料又称宽带隙材料,是那些带隙宽度较大(Eg≥2.3 eV)的半导体材料,主流的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),以及非主流的氧化锌(ZnO)、金刚石和氮化铝(AlN)是第三代半导体技术的主要代表。

宽带隙功率半导体

与第一代和第二代半导体材料相比,第三代半导体除能隙较宽外,击穿场强、导热率、电子饱和速率和抗辐射性也很出色。与硅、砷化镓、锗、甚至碳化硅器件相比,GaN器件的开关频率、输出功率和工作温度更高,适合1-110 GHz的高频通信应用,涵盖移动通信、无线网络、点对点和点对多点微波通信,以及雷达应用。集这些优点于一身,GaN已被证明非常适合5G基站功率放大器,取代4G以及前几代无线基础设施广泛应用的LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)。目前,按照衬底材料是硅或SiC划分,GaN射频产品分为两大类,每类都有各自优缺点。

高能效、尺寸紧凑、低成本、高功率密度和高线性度是5G基础设施对射频半导体器件的硬性要求。就宽带性能、功率密度和能效而言,以硅LDMOS和GaAs为主要代表的传统技术远远落后于GaN HEMT技术,无论衬底是硅还是SiC,都是如此。正是这项技术满足了5G应用对散热的严格要求,同时确保节省印刷电路板空间,满足大规模MIMO天线阵列的安装需求。在基站中,节省空间的多功能GaN MMIC芯片和多片模块取代了分立设计。此外,5G新频段射频信号和数据处理硬件导致功耗不断增加,使5G基站的整个供电系统,从电网容量到机柜尺寸、备用储电系统、功率密度和电力电子设备的冷却能力,不堪重负。因为在功率转换应用方面的价值主张,例如,能效和功率密度比其它功率半导体技术更高,GaN再次成为5G热点的最大受益者之一。

GaN技术将会走向何方?

自硅基器件推出至今已有超过70的历史,而GaN技术的发展才刚刚开始,对于GaN技术的发展趋势,Filippo Di Giovanni先生称,除射频信号处理领域之外,仅在功率转换方面,SiC和GaN有望引发一场技术革命,因为SiC已经用于电动汽车的驱动电机逆变器,并沿着汽车大规模电动化道路稳步发展,而GaN的技术优势使其更容易进军电源适配器、充电机、OBC(车载充电机)、数据中心、轻混汽车等所有的无处不在的应用领域。功率GaN HEMT市场规模预计2028年将达到17亿美元,能效提高,尺寸缩小,以及所有的需求很大的功能,使其成为5G基站电源PSU的最佳解决方案。

5G时代不仅宏基站的密度将会更高,需要功率密度更高的基站收发台,而且还会出现更小的网络单元(“皮基站”和“飞基站” ),以增加网络容量,扩大网络覆盖范围。当然,主要目标是减轻宏基站的过重负担。5G开始商用还改变了射频信号频段,以及信号收发方式。当前,我们看到的大多数移动通信频率是在3 GHz以下和3 GHz至6 GHz(低于6 GHz)的中频段,不过,现在开始出现以前被认为不适合移动通信的新频段,例如,高于24 GHz的高频毫米波。物联网、V2V(车间通信)、自动驾驶、远程医疗、智能制造等新兴应用刺激了对更高比特率和更短延迟的需求,迫使基站厂商采用基于多输入和多输出的新架构,即可以处理大量信号的大规模MIMO(多输入和多输出)天线。预计基站有源天线波束成形技术将继续取得进步,最大限度地提高频谱利用率。在5G开始商用过程中,安装小型蜂窝天线的部署将推动市场对紧凑、高效的RF GaN器件的需求。关心大规模MIMO基站中5G信号处理电路功耗的设计人员,将更加注重半导体能效,进而求助GaN供应商开发出更高性能的产品。

碳化硅衬底GaN的不足之处

5G受到追捧是有充足的理由的。根据CCS Insight的预测,到2023年,5G用户数量将达10亿,到2022年,5G蜂窝基础设施将承载近15%的全球手机流量。与LDMOS相比,GaN使系统能够实现更高的功率密度,有助于降低基站的尺寸,并可以使用不太复杂的冷却硬件。GaN在5G频谱中的更高能效表现可以降低位/秒的运营成本以及环境影响。同样,GaN更适应高湿度、多灰尘、极热和功率波动的工作环境,性能受到的负面影响极小。

另一方面,5G的兴起要求电信设备供应商建立一个大规模生产且多厂供货的弹性供应链。GaN技术从典型的III-V制造工艺和晶圆厂到量产方法的过渡期是关键。在碳化硅衬底上生长GaN的方法可能会受到衬底供应紧张的困扰,而硅基GaN可以通过合理的性能折衷来满足这一需求。为了避免任何可能的材料供应问题,意法半导体决定,开发GaN使用硅衬底而不是碳化硅。

ST STPOWER产品组合助力5G发展

如果把整个基站视为一个系统,那么意法半导体的STPOWER(www.st.com/stpower)产品可以用于设计电源和功放两个主要模块。为了充分利用5G的技术优势,设计人员必须依靠新的频谱来满足未来的数据容量需求,这意味着整合集成度更高的微波/毫米波收发器、可编程IC、高能效数据转换器和高功率、低噪声功率放大器(PA),使基站小型化。最后,这些5G基站必须集成大规模MIMO天线,实现可靠的网络连接。其结果是,需要各种最新的电源来为5G基站子系统供电。随着5G的部署,基站数量将会增加。举例来说,从2019年到2022年,中国将为5G建设或重建超过200万个基站。在发展过程中,未来几年典型基站的峰值功耗将大大增加。如今,典型的2T2R(2发射器,2接收器)基站的峰值功耗为8 kW,峰值功耗在3年后将提高到14 kW,5年后增加到18 kW,这是由于在现有频带中应用了毫米波和新技术。

为符合最严格的能效要求,支持这一市场发展趋势,意法半导体提供STPOWER产品组合,包括硅功率解决方案和SiC MOSFET和二极管,以及整流器和TRIAC晶闸管。关于功率放大器,意法半导体与射频和电信应用领域的领先专业厂商MACOM合作,开发先进的专用的硅基GaN HEMT晶体管。在一个 5年期内,5G基础设施投资规模有望大幅增长,功率放大器需求量将扩大32-64倍,这意味着放大器成本将降低一个量级。

小结

近期,高层频繁点名新基建,5G基站的建设将迎来高峰,这给致力于5G发展的半导体厂商带来机遇。意法半导体已经在供应为5G高效电源设计的功率晶体管,还将推出首批650 V功率GaN产品,在补充现有产品线的同时,该产品还能突破硅片的极限,大幅度提高能效。作为世界级供应商,意法半导体还提供650 V和1200 V的SiC MOSFET,为更多的用户带来宽带隙材料的优势。在SiC MOSFET中,意法半导体正在建立一个稳定的供应链,得益于瑞典Norstel AB并购案,完成了一次完全垂直的供应链整合。同时,硅衬底GaN射频产品正在设计中,这将使意法半导体能够最大程度地扩大产品组合。

  • 分享到:

 

猜你喜欢

  • 主 题:30分钟入门的DC/DC转换器基础
  • 时 间:2020年10月13日
  • 公 司:ROHM

  • 主 题:基美电子产品在高级辅助驾驶(ADAS)中的应用
  • 时 间:2020年10月15日
  • 公 司:Kemet

  • 主 题:仪器仪表级毫米波信号链
  • 时 间:2020年10月22日
  • 公 司:ADI