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5G/6G技術(shù)特性展現(xiàn)氮化鎵“風(fēng)采”,電信需求正值藍(lán)海

2024-04-18 來(lái)源:賢集網(wǎng)
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關(guān)鍵詞: 氮化鎵 GaN HEMTs 晶圓

全球首發(fā)8英寸GaN HEMTs

4月10日,在2024武漢九峰山論壇上,西安電子科技大學(xué)郝躍院士、張進(jìn)成教授課題組李祥東團(tuán)隊(duì)與廣東致能科技聯(lián)合攻關(guān),首次展示了全球首片8英寸藍(lán)寶石基GaN HEMTs晶圓。

據(jù)李祥東教授在會(huì)上介紹,通過(guò)調(diào)控外延工藝,其GaN外延片不均勻性控制在4%以內(nèi),所制備的HEMTs器件的cp測(cè)試良率超過(guò)95%,擊穿電壓輕松突破2000V。



據(jù)行業(yè)人士推測(cè),該8英寸藍(lán)寶石基GaN HEMTs晶圓器件具有標(biāo)志性意義,目前200V以下以及650V左右的GaN功率HEMT已在8英寸晶圓線上實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn),然而在8英寸線上實(shí)現(xiàn)2000V級(jí)別的GaN器件的展示尚屬首次。

8英寸晶圓將是GaN成為主流電力電子器件的必由之路,其成本將極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì):

一方面,由于轉(zhuǎn)向8英寸晶圓,每片GaN HEMTs晶圓的芯片數(shù)將比6英寸晶圓多近2倍,GaN器件成本與6英寸方案相比也將大幅下降。

另一方面,采用藍(lán)寶石襯底可以大幅提升GaN耐壓,市場(chǎng)應(yīng)用從消費(fèi)類(lèi)轉(zhuǎn)向工業(yè)和汽車(chē)等領(lǐng)域,需求進(jìn)一步打開(kāi),而隨著8英寸藍(lán)寶石襯底制備工藝的日趨成熟和大批量出貨,氮化鎵器件成本也有望進(jìn)一步下降。

第三,疊加致能自主開(kāi)發(fā)的超薄緩沖層和簡(jiǎn)單場(chǎng)板設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì),藍(lán)寶石基GaN HEMTs晶圓成本還可降至更低。


5G移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)

新興的第五代(5G)通信系統(tǒng)有望解鎖無(wú)數(shù)新業(yè)務(wù),并為許多行業(yè)提供增長(zhǎng)平臺(tái)。5G移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)要求是實(shí)現(xiàn)數(shù)十億設(shè)備的泛在連接,并支持多Gbps的數(shù)據(jù)速率。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有移動(dòng)系統(tǒng)大數(shù)千倍的容量。5G可以提升商用應(yīng)用的性能,在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用(AR、VR、MR)、視頻會(huì)議、工業(yè)自動(dòng)化、自動(dòng)駕駛汽車(chē)、聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的用戶體驗(yàn)和服務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)5G,在硬件開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)部署方面面臨無(wú)數(shù)挑戰(zhàn)。



在 5G 設(shè)計(jì)中,需要模擬前端 (AFE) 來(lái)支持多輸入多輸出 (MIMO) 配置中的多個(gè)發(fā)射和接收路徑。圖2顯示了子陣列有源相控陣天線(APAA)大規(guī)模MIMO的框圖。如圖2所示,RF前端模塊由功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)和開(kāi)關(guān)組成。5G 日益復(fù)雜,限制了在開(kāi)發(fā)此類(lèi)復(fù)雜射頻子系統(tǒng)方面具有專業(yè)知識(shí)的制造商數(shù)量。然而,隨著5G設(shè)計(jì)的成熟,越來(lái)越多的供應(yīng)商正在應(yīng)對(duì)AFE的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

眾所周知,RF PA的性能通常主導(dǎo)著整個(gè)發(fā)射機(jī)(TX)的性能,因?yàn)樗墓β矢郊有剩≒AE)決定了整個(gè)TX的功耗和散熱要求。為了在厘米波/毫米波頻率下增強(qiáng)用戶體驗(yàn)和大規(guī)模MIMO天線,5G系統(tǒng)將需要更多的PA集成到射頻前端模塊(FEM)中,這使得5G PA的設(shè)計(jì)比4G PA更為關(guān)鍵。對(duì)于任何成功的商用 5G 應(yīng)用,輸出功率 (Pout)、線性度、成本、電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)、PA的形狀因素等都非常重要。許多其他公司也在投入大量資源來(lái)實(shí)現(xiàn)5G革命,其中將使用sub-6GHz頻段的頻率范圍1(FR1)和毫米波頻段的頻率范圍2(FR2)。

自 1990 年代該技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái),射頻功率放大器一直以橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 (LDMOS) 器件為主,尤其是在頻率低于 2 GHz頻率范圍的應(yīng)用時(shí),因?yàn)樗鼈兂杀镜土K麄冏畲蟮母?jìng)爭(zhēng)對(duì)手是基于砷化鎵(GaAs)的放大器,它更適合更高的頻率,但其功率傳輸水平較低,成本較高。與硅和砷化鎵(GaAs)半導(dǎo)體材料相比,氮化鎵(GaN)是一種寬帶化合物半導(dǎo)體,具有高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、高電子飽和速度、高導(dǎo)熱性和低介電常數(shù)。氮化鎵(GaN)將取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料用于5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,例如小型基站(Small Cell),這些應(yīng)用需要更高的頻率、緊密的集成度和最低的實(shí)施成本。低壓氮化鎵(GaN)提供的效率性能將不可避免地進(jìn)入手機(jī)應(yīng)用中。同時(shí)氮化鎵(GaN)能夠在高溫環(huán)境下工作,非常適合被動(dòng)冷卻、所有戶外塔頂基站電子設(shè)備和汽車(chē)應(yīng)用中。


在不斷擴(kuò)大的市場(chǎng)中騰出空間

電信基礎(chǔ)設(shè)施仍然是射頻 GaN 器件的最大單一市場(chǎng)。 根據(jù) Yole Intelligence 的《RF GaN 化合物半導(dǎo)體 Q2-23》報(bào)告,該細(xì)分市場(chǎng)的收入預(yù)計(jì)將從 2022 年的近 7.77 億美元增加到 2028 年的約 14 億美元,復(fù)合年增長(zhǎng)率為 10%。 然而,不斷擴(kuò)大的硅基氮化鎵電信基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)并不意味著碳化硅基氮化鎵將完全黯然失色。 相反,不斷增長(zhǎng)的電信市場(chǎng)將為碳化硅基氮化鎵和硅基氮化鎵領(lǐng)域帶來(lái)增長(zhǎng)空間。 預(yù)計(jì)到 2028 年,GaN 將占電信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備出貨量的 75% 以上。其中,70% 以上將是 GaN-on-SiC,5% 將是 GaN-on-Si,其余部分將是 GaN-on-Si LDMOS的市場(chǎng)份額將繼續(xù)下降。

如今,作為主要平臺(tái),碳化硅基氮化鎵擁有完善的供應(yīng)鏈。SEDI、Qorvo、Wolfspeed 和 NXP 等器件供應(yīng)商以及國(guó)防相關(guān)公司 Raytheon、BAE Systems 和 Northrop Grumman 均提供 GaN-on-SiC 技術(shù)。2022 年,SEDI、Qorvo 和 Wolfspeed 是 RF GaN 領(lǐng)域的領(lǐng)先廠商。GaN 領(lǐng)域的新來(lái)者 NXP 于 2020 年在美國(guó)開(kāi)設(shè) 6 英寸 GaN-on-SiC 晶圓廠,進(jìn)入電信市場(chǎng)供應(yīng)鏈,實(shí)現(xiàn)了顯著增長(zhǎng)。擁有 LDMOS 產(chǎn)品,已成為基于 GaN 的電信基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)?,F(xiàn)在,這個(gè)不斷擴(kuò)大的行業(yè)為 GaN-on-Si 技術(shù)提供了更多空間,其中低功率 GaN 解決方案有望用于 10 W 以下的 32T32R 和 64T64R mMIMO 基站,今年會(huì)有越來(lái)越多的產(chǎn)品上市。



但這還不是硅基氮化鎵技術(shù)的全部! 新頻率范圍 3 (FR3) 頻段中的 5G 手機(jī) PA 也出現(xiàn)了一個(gè)充滿希望的機(jī)會(huì)。 盡管硅基氮化鎵在手機(jī) PA 的 7 GHz 以下和 5G 毫米波頻率中具有潛力,但值得注意的是,7 GHz 以下的完善的 GaAs 解決方案已經(jīng)存在,并且基于硅的解決方案已獲得關(guān)注 適用于毫米波應(yīng)用。 這些現(xiàn)有技術(shù)在技術(shù)和供應(yīng)鏈方面都已經(jīng)成熟,構(gòu)成了重要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。 就 FR3 而言,競(jìng)爭(zhēng)仍然開(kāi)放,硅基氮化鎵有可能滿足要求并找到實(shí)施機(jī)會(huì)。 然而,必須考慮到將 GaN-on-Si 集成到手機(jī)系統(tǒng)中需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)更改,這使得在 FR3 頻段采用該技術(shù)成為一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)。 最后的決定總是由蘋(píng)果、三星和小米等智能手機(jī)原始設(shè)備制造商說(shuō)了算,這可能是硅基氮化鎵行業(yè)的拐點(diǎn)。

在過(guò)去幾年的硅基氮化鎵生態(tài)系統(tǒng)中,意法半導(dǎo)體、MACOM、英飛凌科技等公司以及格羅方德、聯(lián)電等晶圓代工廠都積極參與射頻硅基氮化鎵技術(shù)的開(kāi)發(fā)和引進(jìn)。 這些參與者正在努力將這項(xiàng)技術(shù)推向市場(chǎng)。 此外,還有像 Finwave 這樣的創(chuàng)新公司,該公司專注于在 8 英寸 GaN-on-Si 晶圓上開(kāi)發(fā) 3D GaN FinFET 技術(shù)。 他們?cè)陂_(kāi)發(fā)過(guò)程中使用標(biāo)準(zhǔn)硅鑄造工具。 除了這些創(chuàng)新公司之外,GCS、UMC 和 Global Foundries 等老牌公司也有潛力快速適應(yīng)并進(jìn)入市場(chǎng)。 參與者正在為這些殺手級(jí)應(yīng)用做好準(zhǔn)備,以運(yùn)行他們的技術(shù),并開(kāi)啟射頻行業(yè)大批量硅基氮化鎵制造的新時(shí)代。



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