Laboratuvardaki "galyum nitrür" den "bilim"
Bu makale "Sapphire Industry Alliance" kamu hesabı yetkisi altında yeniden basılmıştır.
2 inç (yaklaşık 5 cm) çapında beyaz yarı saydam, plastik benzeri küçük bir disk uluslararası pazarda 5.000 ila 7.000 ABD dolarına satılabilir; sadece arz az olmakla kalmayıp, aynı zamanda uluslararası ticaretteki teknik engeller nedeniyle de bulmak zordur. Bu elbette sıradan bir plastik levha değil, "üçüncü nesil yarı iletken malzeme" adı verilen bir galyum nitrür levhadır.
2 inçlik bir GaN çipinin, enerji tasarruflu lambaların 10 katı parlaklığa, enerji tasarruflu lambaların 3-4 katı ışık verimine ve enerji tasarruflu lambaların 10 kat daha uzun ömürlü 10.000 yüksek parlaklığa sahip LED aydınlatma lambası üretebileceğini hayal edemezsiniz; Ortalama fiyatı 100 ABD Doları'nın üzerinde olan 5.000 mavi lazer üretilebilir; GaN gofretler aynı zamanda güç elektroniği cihazlarında da kullanılabilir, sistem enerji tüketimini% 30'dan fazla azaltır; bu aynı zamanda gelecekte mikrodalga iletişimi için temel malzeme olacaktır ve Aynı bölgedeki mikrodalga baz istasyonlarının iletim kapsama alanı, mevcut olana göre en az iki katına çıkar.
Hepimizin bildiği gibi, birinci nesil yarı iletken, esas olarak veri işlem ve depolama sorunlarını çözen silikondur; ikinci nesil yarı iletken, veri iletimi sorununu çözmek için optik fiber iletişimine uygulanan galyum arsenit ile temsil edilir; ve üçüncü nesil yarı iletken Silisyum karbürün yanı sıra son yıllarda ün kazanan ve zirveye çıkan "galyum nitrür" kardeşidir.Fotoelektrik dönüşümdeki üstün performansı ve mikrodalga sinyal iletimindeki yüksek verimliliği onu biz haline getirmiştir. Yarı iletken endüstrisindeki yeni "yıldızlar" yavaş yavaş "silikon" en büyük kardeşin yerini alıyor!
Galyum nitrür
2019/11/8
Aslında böyle mucizevi bir "galyum nitrür" 199 Amerikalı bilim adamları ilk galyum nitrür transistörünü geliştirdikten sekiz yıl sonra, yarı iletken malzeme ailesinde ortaya çıkmaya başladılar ve yavaş yavaş kök saldılar. Son yıllarda Çin, entegre devre endüstrisini güçlü bir şekilde geliştirmektedir.Elektronik ürünlerin önemli bir malzemesi ve bileşeni olarak, üçüncü nesil yarı iletken malzeme galyum nitrür doğal olarak C pozisyonunu almıştır.
Mayıs 2015'te, Devlet Konseyi tarafından yayınlanan "Made in China 2025", dört kez silikon karbür ve galyum nitrür ile temsil edilen üçüncü nesil yarı iletken güç cihazlarından bahsetti;
Eylül 2016'da Bilim ve Teknoloji Bakanlığı, "üretim, çalışma, araştırma ve uygulama" işbirliğine dayalı bir inovasyon endüstri zinciri oluşturmak için özel bir ulusal anahtar araştırma ve geliştirme planı "Stratejik Gelişmiş Elektronik Malzemeler" - Yeni Nesil Mobil İletişim için GaN tabanlı Radyo Frekans Cihazlarının Anahtar Teknolojileri ve Sistem Uygulamaları "oluşturdu, Tamamen bağımsız ve kontrol edilebilir GaN tabanlı radyo frekansı cihazları ve devre paketi teknolojisi, GaN cihazlarının ve devrelerinin iletişim sistemlerinde uygulanmasını gerçekleştirir ve radyo frekansı gücü alanında Çin'in üçüncü nesil yarı iletkenlerinin sürdürülebilir gelişimini teşvik eder;
Temmuz 2018'de Çin, temel olarak Çin'de üçüncü nesil yarı iletkenin geliştirilmesini dört açıdan öneren "Üçüncü Nesil Yarı İletken Güç Elektroniği Teknolojisi için Yol Haritası" nı yayınladı: substrat / epitaksiyel / cihaz, paket / modül, SiC uygulaması ve GaN uygulaması. Güç elektroniği teknolojisi için yol önerileri ve gelecekteki endüstriyel gelişim için tahminler;
Sonuçlar açısından, şimdiye kadar, üç yerli GaN üretim / pilot test hattı birbiri ardına devreye alındı ve üçüncü nesil yarı iletkenlerle ilgili bir dizi Ar-Ge pilot platformu inşa ediliyor.GaN substratları açısından, Navitas'a benzer, China Gallium Semiconductor gibi şirketler, 4 inçlik alt tabaka üretim kapasitesine sahip küçük gruplar halinde 2 inçlik alt tabakalar üretmiş ve 6 inçlik alt tabaka numuneleri geliştirmiştir.
Günümüzün galyum nitrürü yavaş yavaş sunaktan ve laboratuvardan dışarıya, küçükten LED aydınlatmaya, 5G iletişimine, her birimize gelerek hayatımızı incelikle etkiliyor.
İlk başta, yarı iletken malzeme endüstrisindeki "yeni insan" olan galyum nitrür, ulusal savunma ve havacılık alanlarında kullanılan ilk kişiydi. Bu "galyum nitrür" kardeş, savunma ve havacılıkta hiçbir çabadan kaçınmadı ve elektrik enerjisi kaynakları, iletişim ve benzeri diğer alanların dikkatini başarıyla çekti, bu nedenle dünya çapında sırayla bir "galyum nitrür" uygulama draması sahnelendi.
GaN'nin savunma havacılığı alanında uygulanması
İlk başta, ABD Savunma Bakanlığı'nın tanıtımı altında, herkes galyum nitrür teknolojisi araştırmasına başladı ve yavaş yavaş GaN cihazları için mevcut pazarı oluşturdu. İstatistiklere göre, askeri ve havacılık sahaları toplam GaN cihaz pazarının% 40'ını oluşturuyor ve en büyük uygulama pazarı radar ve elektronik savaş sistemleridir. Mart 2016'da Patriot Füze Savunma Sistemi Raytheon, GaN teknolojisine dayalı bir aşamalı dizi anten sisteminin benimsendiğini duyurdu. Önceki Patriot füze savunma sisteminin radarı pasif bir elektronik tarama dizisi sistemi kullanıyordu, ancak Raytheon 16 yıl içinde radar sistemini GaN teknolojisine dayalı aktif bir elektronik tarama dizisine (AESA), GaN teknolojisine dayalı aktif bir elektronik tarama dizisine dönüştürmeye karar verdi. Patriot füze savunma sistemine kör nokta olmadan 360 derece radar arama ve yönlendirme yetenekleri sağlayacak. Ayrıca, havadan ateş kontrol radarı, füze güdümlü arayıcı, gemi kaynaklı erken uyarı hava savunma radarı vb. Dahil olmak üzere, GaN teknolojisine dayalı giderek daha fazla aşamalı dizi anten sistemleri kullanılmaktadır.
2018'de Raytheon, daha önce füze rampalarında kullanılan hareketli dalga tüpünü (TWT) değiştirmek için yeni üretilen Guidance Enhanced Missile-TBM (GEM-T) önleyicisinde galyum nitrür (GaN) bilgisayar çipleri kullanmaya başlayacağını duyurdu. . Raytheon, önleyicinin güvenilirliğini ve verimliliğini artırmak için GaN çiplerini kullanarak GEM-T vericisini yükseltmeyi umuyor. Ek olarak, yeni üretim füzelerinde GaN'e geçiş, önleyicinin ömrü boyunca fırlatıcının değiştirilmesine gerek olmadığı anlamına gelir.
Raytheonun GEM-T füzesi, ABD Ordusu Patriotun hava ve füze savunma sisteminin omurgasıdır ve uçaklara, taktik balistik ve seyir füzelerine karşı kullanılır. Son yıllarda Raytheon, GaN gücünü ve verimliliğini daha yüksek sınırlara çıkarmaya kararlıdır. Yeni verici, eski vericiyle aynı şekle ve işleve sahiptir, ek soğutma gerektirmez ve açıldıktan sonra birkaç saniye içinde çalışabilir. Bu, yeni GaN vericili GEM-T'nin en zorlu koşullar altında çalışmaya devam edebileceği anlamına gelir. Bu fırlatma teknolojisi, diğer füzeler üzerinde başka testler de görebilir. Ordu, tüm envanterin bu tür rampalarla değiştirilmesiyle ilgilendiğini belirtti ve bu fırlatıcıların GEM-T programında kullanılması onarım maliyetlerini% 36 azaltabilir.
Şimdi bu GaN teknolojileri yavaş yavaş askeri kullanımdan sivil kullanıma dönüştürülüyor. Örneğin, araç sürücüsüz sistemler, 60GHz Wi-Fi teknolojisi, kablosuz iletişim baz istasyonları ve 5G iletişimi.
5G'de GaN Uygulaması
5G, yarı iletken malzemelerde devrim niteliğinde değişiklikler getirecek.İletişim frekansı bandı yüksek frekanslara geçerken, baz istasyonları ve iletişim ekipmanının desteklenmesi için yüksek frekanslı performanslı radyo frekansı cihazlarına ihtiyaç duyulmaktadır.Bu zamanda, galyum nitrürün avantajları giderek öne çıkacaktır. Geniş bant aralıklı bir yarı iletken olan GaN, yüksek güç yoğunluğu, düşük enerji tüketimi, yüksek frekanslar için uygun ve geniş bant genişliği desteği özelliklerine sahiptir. Galyum arsenit ve indiyum fosfit gibi yüksek frekanslı işlemlerle karşılaştırıldığında galyum nitrür cihazları daha fazla güç üretir; LDCMOS ve silikon karbür (SiC) gibi güç işlemleriyle karşılaştırıldığında galyum nitrür daha iyi frekans özelliklerine sahiptir.
Özellikle küresel mobil veri trafiğinin sürekli artmasıyla birlikte, mobil operatörler, trafik talebindeki patlayıcı artışı karşılamak için ellerinden gelenin en iyisini yapmalıdır. Taşıyıcı birleştirme, mobil İnternet'in veri bant genişliği talebini azaltabilir. Taşıyıcı toplama ve büyük ölçekli çoklu giriş çoklu çıkış teknolojileri teşvik eder Baz istasyonu, daha iyi performansa sahip bir güç amplifikatörü kullanır. Daha önce baz istasyonunda kullanılan radyo frekansı güç amplifikatörü esas olarak LDMOS teknolojisine dayanır, ancak LDMOS teknolojisinin sınır frekansı 3.5GHz'i geçmez ve video uygulamaları için gereken 300MHz'in üzerindeki bant genişliğini karşılayamaz.
Massive MIMO uygulamalarında çok sayıda (32 / 64 Vb.) Daha fazla kablosuz veri akışı ve bağlantı güvenilirliği elde etmek için antenleri dizmek, bu mimari, karşılık gelen radyo frekansı alıcı-verici ünitesi dizilerini gerektirir. Aynı zamanda 3G ve 4G dönemine göre sorunsuz ve hızlı 5G iletişimini sağlamak için baz istasyonu radyo alıcı-verici ünitesi ekranında ihtiyaç duyulan radyo frekansı bileşenlerinin sayısındaki büyük artışa ek olarak baz istasyonu yoğunluğu ve baz istasyonu sayısı da buna bağlı olarak artacaktır. 5G iletişimi için radyo frekansı cihazlarının sayısı onlarca, hatta yüzlerce kat artacaktır. Bu nedenle, radyo frekansı cihazlarının sayısı baz istasyonunun boyutunu ve yapım maliyetini etkilemeden yüzlerce kat artmakta, bu da cihazların boyut ve maliyet kontrolünü çok kritik hale getirmektedir.
Yukarıdaki gereksinimleri karşılayabilen tek RF cihazı galyum nitrürdür. Diğer cihazlarla karşılaştırıldığında, galyum nitrür cihazlarının anlık bant genişliği daha yüksektir Bu çok önemlidir Taşıyıcı birleştirme teknolojisinin kullanılması ve daha yüksek frekanslı taşıyıcıların hazırlanması, daha büyük bant genişliği elde etmek içindir. Aynı zamanda, silikon veya diğer cihazlarla karşılaştırıldığında GaN daha hızlıdır ve daha yüksek güç yoğunluğuna ulaşabilir. GaN, daha yüksek güç yoğunluğu elde ederken, belirli bir güç seviyesi için küçük olma avantajına sahiptir. Daha küçük cihazlarla, cihaz kapasitansı düşürülerek daha yüksek bant genişliğine sahip sistemlerin tasarımı daha kolay hale getirilebilir. Ek olarak, silisyum bazlı galyum nitrür de maliyet açısından büyük bir avantaja sahiptir.Silikon bazlı galyum nitrür teknolojisi olgunlaştıkça, en büyük maliyet-etkin avantajla piyasada atılımlar gerçekleştirebilir.
GaN'in küçük boyutu, yüksek verimliliği ve yüksek güç yoğunluğunun yanı sıra silikon tabanlı GaN'nin maliyet avantajlarını kullanarak, modüler RF ön uç cihazları gibi son derece entegre çözümler elde edebiliriz.
Yukarıdaki nedenlerden dolayı baz istasyonları, LDMOS cihazlarının yerini almak için radyo frekansı galyum nitrür cihazları kullanmaya başladı. Yeni bir malzeme olarak, galyum nitrür tarafından geliştirilen radyo frekansı galyum nitrür teknolojisi, 5G için mükemmel bir eştir. GaN teknolojisinin olgunlaşmasıyla birlikte, bu yeni malzemenin radyo frekansı devrelerinin uygulanmasıyla sınırlı olmadığına inanılmaktadır.Gelecekte, tüm 5G endüstrisi yukarı ve aşağı bu yeni malzemeyi benimseyebilir.
GaN'nin güç alanında uygulanması
Nobel Ödülü Sahibi: Hiroshi Amano
Bir Japon araştırma ekibi geçtiğimiz günlerde yarı iletken malzeme galyum nitrür (GaN) kullanarak geliştirdikleri invertörün, elektrikli araçlara% 20'den fazla enerji tasarrufu sağlaması beklenen elektrikli araçlara ilk kez başarıyla uygulandığını duyurdu. Araştırma ekibi, 2014 Nobel Fizik Ödülü'nü kazananlardan biri ve Japonya'daki Nagoya Üniversitesi'nde profesör olan Hiroshi Amano tarafından yönetildi.
Evirici, elektrikli araçların temel bileşenlerinden biridir.Görevi, bataryada depolanan DC gücünü motorun ihtiyaç duyduğu AC gücüne dönüştürmektir.Ayrıca düşük voltajlı (12, 24 veya 48 volt) DC gücü 220'ye dönüştürmenin bir yolu olarak da anlaşılabilir. Volt alternatif akım elektronik ekipmanı. Bu kez Amano Hiroshi ekibi, galyum nitrür kullanarak sıradan saf elektrikli araçlara göre% 20 daha fazla enerji tüketebilen ve araca "ALL GaN Vehicle" adını veren tamamen elektrikli bir araç geliştirdi. Saatte 50 kilometre hıza ulaşmayı başaran testin bu yıl içinde saatte 100 kilometre hıza ulaşması planlanıyor.
Geleneksel teknoloji ile karşılaştırıldığında, galyum nitrür kullanan yeni invertör daha verimlidir ve dönüşümdeki güç kaybını büyük ölçüde azaltabilir. Hibrit otomobiller gibi diğer çevre dostu araçlara da uygulanabilir ve karbondioksit emisyonlarının azaltılmasına yardımcı olması bekleniyor.
"ALL GaN Vehicle" aracı, 24'ünde açılan 46. Tokyo Motor Show'da sergilendi. Hiroshi Amano, pil olarak galyum nitrür kullanan bir elektrikli otomobilin dünyada bir ilk olduğunu söyledi. Ancak şu anda hala cihaz güvenilirliği ve fiyatı olmak üzere iki konu ile karşı karşıyalar.Yeni teknolojinin mümkün olan en kısa sürede kullanım standardına ulaşacağını umuyorlar ve 2025'te piyasaya sürülmeye çalışıyorlar.
Bu "galyum nitrür" kardeş gerçekten harika ve ateş eder etmez ona sahip olup olmadığını anlayacak! Elektrikli araçlar alanında, GaN kolayca% 20 oranında enerji tasarrufu sağlayabilir ve hızlı şarj pazarındaki performansı da şaşırtıcıdır.
Elektronik ürünlerin ekranları büyüdükçe, şarj cihazının gücü, özellikle yüksek güçlü hızlı şarj cihazlarında artar, geleneksel güç anahtarlarının kullanılması şarj cihazının mevcut durumunu değiştiremez. Ve GaN teknolojisi bunu yapabilir çünkü şu anda dünyadaki en hızlı güç anahtarlama cihazıdır ve yüksek hızlı anahtarlama altında yüksek bir verimlilik seviyesini koruyabilir, daha küçük bileşenlere uygulanabilir ve şarj cihazlarına uygulandığında ürünü etkili bir şekilde azaltabilir. Boyut, örneğin, mevcut tipik 45W adaptör tasarımının 25W veya daha küçük bir form faktörü tasarımını benimsemesine izin verir.
Galyum nitrür şarj cihazlarının dünya çapında ilgi gördüğü söylenebilir.Yüksek hızlı, yüksek frekanslı ve yüksek verimli, yüksek güçlü USB PD şarj cihazlarını artık iri yarı bir tuğla olmaktan çıkarır. Küçük boyut, orijinal APPLE 30W şarj cihazından daha küçük ve daha hafif olan yüksek güç çıkışı sağlayabilir. . Dahili galyum nitrür şarj cihazına ve geleneksel şarj cihazına yan yana bir göz atın.Dahili galyum nitrür şarj cihazının çıkış gücü 27W'a ulaşıyor ve APPLE USB-C şarj cihazının çıkış gücü 30W. İkisi arasındaki güç farkı çok değil, ancak boyutu küçük. Tamamen farklı bir seviyedir, yerleşik galyum nitrür şarj cihazı, Apple şarj cihazından% 40 daha küçüktür.
Büyük cep telefonu üreticilerinin ve çip üreticilerinin düzenine bakıldığında, USB PD hızlı şarj, cep telefonları, oyun konsolları ve dizüstü bilgisayarlar gibi elektronik cihazlar için tercih edilen şarj çözümü olacak ve USB Type-C de önümüzdeki on yılda elektronik cihazlar haline gelecektir. Güç ve veri aktarımı arasındaki tek arabirim olan USB PD hızlı şarj protokolünün birleştirilmesi yaklaşıyor.
GaN'nin sürücüsüz teknolojide uygulanması
Bir gün yolda sürücüsüz arabalar görürseniz, bu sadece bir sorunu gösterebilir: sürücüsüz arabaların sonunda "hassas gözleri" olur. Ve bu "gözler" lidar'dan başka bir şey değil. LiDAR (LiDAR), hızlı bir şekilde üç boyutlu görüntüler oluşturmak veya çevredeki ortam için elektronik haritalar yapmak için lazer darbeleri kullanır.Sistemin, gerçek zamanlı elektronik haritalara göre aracın çevresini hızlı bir şekilde algılamasını ve algıya göre yol, araç konumu ve engel bilgilerini elde etmesini sağlar. , Aracın yolda güvenli ve güvenilir bir şekilde gidebilmesi için aracın direksiyonunu ve hızını kontrol edin. Otonom sürüş için en önemli sensörlerden biri olan lidar, otonom sürüşün yarısını destekliyor. Google, BMW, Mercedes-Benz, Audi ve Volvo gibi büyük şirketler, Bosch, Delphi, Continental ve Pioneer gibi otomotiv tedarikçileri; Cruise Automation, NuTonomy vb. Girişimler, otonom sürüş sistemlerinde lidar kullanıyor.
Bir yandan, MOSFET cihazlarıyla karşılaştırıldığında, GaN alan etkili transistörlerin on kat daha hızlı bir anahtarlama hızı vardır, bu da radar sisteminin üstün çözünürlük ve daha hızlı yanıt süresi avantajlarına sahip olmasını sağlar.Ayrıca, GaN alan etkili transistör gerçekleştirebilir. Üstün anahtar dönüşümü ayrıca insansız sürüşte daha yüksek doğruluk sağlar.
Öte yandan, otomatikleştirilmiş araçların güçlü bir şekilde geliştirilmesi ve yaygınlaştırılması sürecinde, otomobil üreticileri ve teknoloji şirketleri en iyi sensör ve kamera kombinasyonunu arıyorlar.Etkili maliyet kontrolü ve seri üretim öncülüğünde, en üst düzeye çıkarabilirler. Çevreleyen çevrenin algısını ve görsel yeteneğini geliştirin. Birçok bileşik yarı iletken malzeme arasında, galyum nitrürün iletim hızı önemli ölçüde daha hızlıdır, bu da mevcut lidar uygulamalarında silikonun 100 veya hatta 1000 katıdır. Bu hız, fotoğraf çekme hızının, fotoğrafların netliğinin ve doğruluğunun daha iyi olduğu anlamına gelir, bu da yolun önündeki şeyleri daha doğru tanımlamamıza ve şerit değişiklikleri için renk uyarıları yapmamıza olanak tanır.
GaN'in üstün performansı, yeni ve daha geniş bir lidar uygulamasını teşvik eder.Sürücüsüz araç sistemlerinin uygulamasına ek olarak, gerçek zamanlı eylemleri algılamak ve komutları hareketlerle sürmek için video oyunu uygulamalarını destekleyen bilgisayarları da içerir.
Şu anda GaN, yeterince geniş bir uygulama alanına sahiptir. Yeni üçüncü nesil yarı iletken teknolojisi olarak, aynı zamanda tüm dünyadaki ülkelerin rekabet ettiği ve piyasada çok sayıda GaN temsilcisinin oluşturduğu bir pazardır.Bunlardan ilk kademe InnoSec, Nanomicro, EPC ve diğer temsilci şirketleri içermektedir. Bunlar arasında InnoSec, 8 inçlik geliştirilmiş silikon galyum nitrür epitaksi ve seri üretim cipsini benimseyen dünyadaki ilk şirkettir ve aynı zamanda galyum nitrür endüstrisinin ilk kademeleri arasında yer alan yerli yarı iletken şirketlerinin bir temsilcisidir.
Geçtiğimiz iki yılda, herkes bu yükselen yıldız "Galyum Nitrür" ile ilgili tartışma ve araştırma konusunda hevesliydi. Pek çok insan onu yarı iletken malzeme endüstrisindeki yeni "tanrı" olarak görüyor ve silikon bazlı cihazları yarı iletkenlerden "dışarı atmaya" kararlı. Market! Bununla birlikte, herhangi bir yeni şeyin ortaya çıkması zamanın vaftiz edilmesini gerektirir.Önceki iki nesil yarıiletkenlerin evrimine ve gelişimine bakıldığında, hepsi laboratuvardan pazara geçme ve nihayet olgunlaşmadan ticarileştirmeyi tamamlama testinden geçmiştir. Ve şimdi "galyum nitrür" laboratuvardan yeni çıktı ve başlangıçta uygulama pazarına girdi ve hala test aşamasında. Bu da bir "sihirli yağ" değil. Maliyet çok pahalı, üretim kapasitesi sınırlı ve uygulama ikamesinin doğrulanması için hala zaman gerekiyor. Bunlar şu anda galyum nitrürün başlıca sınırlamaları ve gitmemiz gerekiyor Tek tek Aşmak.
Bir yarı iletken endüstrisi olarak, "Galyum Nitrür" ün yeni üyelerinin gelişini memnuniyetle karşılamalıyız, ancak aynı zamanda, onu tanrılaştırılmış ve rasyonel bir şekilde anlamalı ve incelemeli ve teknik problemlerini aktif olarak aşmalıyız, böylece pazar talebini, seri üretimi hızlandırabilir, Teknolojik yeniliklerin vb. Nimetleriyle, uygulama yükseltmeleri en kısa sürede gerçekleştirilecek ve sonunda geleneksel silikon tabanlı güç cihazlarının yerini alacaktır. Çabalar bu anı daha erken karşılamamızı sağlayacaktır.
SON
