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第三代半導體氮化鎵助力5G、快充、UVC!-蘇州愛特維等離子設備/等離子清洗

發布日期:2021-03-26 15:52 來源:http://www.historianr.com 點擊:

第三代半導體氮化鎵助力5G、快充、UVC!-蘇州愛特維等離子設備/等離子清洗

第三代半導體材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)為 代表的寬禁帶(禁帶寬度 Eg>2.3eV)的半導體材料。
與首代和第二代半導體材料相比,第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更大的電子飽和速度以及更高的抗輻射 能力,更適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件。
氮化鎵(GaN)是極其穩定的化合物,又是堅硬和高熔點材料,熔點為 1700℃。GaN 具有出色的擊穿能力、更高的電子密度和電子速度以及更高的工作溫度。GaN 的能隙很寬,為 3.4eV,且具有低導通損耗、高電流密度等優勢。
氮化鎵通常用于微波射頻、電力電子和光電子三大領域。具體而言,微波射頻 方向包含了 5G 通信、雷達預警、衛星通訊等應用;電力電子方向包括了智能電網、高速軌道交通、新能源汽 車、消費電子等應用;光電子方向包括了 LED、激光器、光電探測器等應用。
▌射頻應用分析
自 20 年前出現首批商業產品以來,GaN 已成為射頻功率應用中 LDMOS 和 GaAs 的重要競爭對手,其性能 和可靠性不斷提高且成本不斷降低。目前在射頻 GaN 市場上占主導地位的 GaN-on-SiC 突破了 4G LTE 無線基礎設施市場,并有望在 5G 的 Sub-6GHz 實施方案的 RRH(Remote Radio Head)中進行部署。
GaN 在高溫、高頻、大功率射頻應用中獨具優勢
與 4G 系統相比,5G mMIMO 具有更多收發器和天線單元,使用波束賦形信號處理將射頻能量傳遞給用戶。mMIMO 系統可將 192 個天線單元連接到 64 個發送/接收(TRx)FEM,這些 TRx FEM 具有 16 個收發器 RFIC 和 4 個數字前端(DFE),與典型的 LTE 4T MIMO 中的 4 個收發器相比,數字信號處理性能可提高 16 倍。5G mMIMO 設計下,急劇增加的信號處理硬件極大影響了系統尺寸,信號處理的功耗也在逼近板載功率放大器的 功耗,在某些情況下,甚至已經超過了板載功率放大器的功耗。
mMIMO 設計有助于減少傳統收發器架構中模數、數模轉換所需的步驟,從而縮小 5G 天線的尺寸和重量。與 LDMOS 器件相比,硅基 GaN 提供了良好的寬帶性能和卓越的功率密度和效率,能滿足嚴格的熱規范,同 時為緊密集成的 mMIMO 天線陣列節省了寶貴的 PCB 空間。
GaN 非常適合毫米波領域所需的高頻和寬帶寬,可滿足性能和小尺寸要求。使用 mmWave 頻段的應用將 需要高度定向的波束成形技術,這意味著射頻子系統將需要大量有源元件來驅動相對緊湊的孔徑。GaN 非常適 合這些應用,因為小尺寸封裝的強大性能是 GaN 較顯著的特征之一。
在高功率放大器方面,LDMOS 技術由于其低頻限制只在高射頻功率方面取得了很小進展。GaAs 技術能夠 在 100GHz 以上工作,但其低導熱率和工作電壓限制了其輸出功率水平。50V GaN/SiC 技術在高頻下可提供數 百瓦的輸出功率,并能提供雷達系統所需的堅固性和可靠性。HV GaN/SiC 能夠實現更高的功率,同時可顯著 降低射頻功率晶體管的數量、系統復雜性和總成本。
GaN 射頻市場規模到 2024 年約為 20 億美元,CAGR 達 21%
GaN 在射頻市場更關注高功率、高頻率場景。由于 GaN 在高頻下具有較高的功率輸出和較小的面積,GaN 已被射頻行業廣泛采用。隨著 5G 到來,GaN 在 Sub-6GHz 宏基站和毫米波(24GHz 以上)小基站中找到一席 之地。GaN 射頻市場將從 2018 年的 6.45 億美元增長到 2024 年的約 20 億美元,這主要受電信基礎設施和國防 兩個方向應用推動,衛星通信、有線寬帶和射頻功率也做出了一定貢獻。
隨著新的基于 GaN 的有源電子掃描陣列(AESA)雷達系統的實施,基于 GaN 的軍用雷達預計將主導 GaN 軍事市場,從 2018 年的 2.7 億美元增長至 2024 年的 9.77 億美元,CAGR 達 23.91%,具有很大的增長潛力。GaN 無線基礎設施的市場規模將從 2018 年的 3.04 億美元增長至 2024 年的 7.52 億美元,CAGR 達 16.3%。GaN 有線寬帶市場規模從 2018 年的 1,550 萬美元增長至 2024 年的 6,500 萬美元,CAGR 達 26.99%。GaN 射頻功率 市場規模從 2018 年的 200 萬美元增長至 2024 年的 10,460 萬美元,CAGR 達 93.38%,具有很大的成長空間。
在要求高頻高功率輸出的衛星通信中,預計 GaN 將逐漸取代 GaAs 解決方案。在有線電視(CATV)和民 用雷達市場,與 LDMOS 或 GaAs 相比 GaN 的成本仍然較高,但其附加值顯而易見。對于代表 GaN 巨大的消 費級射頻功率傳輸市場,GaN-on-Si 可提供更具成本效益的解決方案。
GaN 射頻市場:美日統治,歐洲次之,中國新進
據 Yole 統計,2019 年全球 3750 多項證書一共可分為 1700 多個證書家族。這些證書涉及 RF GaN 外延、RF 半導體器件、集成電路和封裝等。Cree(Wolfspeed)擁有較強的證書實力,在 RF 應用的 GaN HEMT 證書競爭 中,尤其在 GaN-on-SiC 技術方面處于領先地位,遠遠領先于其主要證書競爭對手住友電工和富士通。英特爾和 MACOM 是目前較活躍的 RF GaN 證書申請者,主要聚焦在 GaN-on-Si 技術領域。GaN RF HEMT 相關證書領 域的新進入者主要是中國廠商,例如 HiWafer(海威華芯),三安集成、華進創威。
▌電力電子應用分析
GaN 技術有望大幅改進電源管理、發電和功率輸出等應用。2005 年電力電子領域管理了約 30%的能源,預 計到 2030 年,這一數字將達到 80%。這相當于節約了 30 億千瓦時以上的電能,這些電能可支持 30 多萬個家 庭使用一年。從智能手機充電器到數據中心,所有直接從電網獲得電力的設備均可受益于 GaN 技術,從而提高 電源管理系統的效率和規模。
由于材料特性的差異,SiC 在高于 1200V 的高電壓、大功率應用具有優勢,而 GaN 器件更適合 40-1200V 的高頻應用,尤其是在 600V/3KW 以下的應用場合。因此,在微型逆變器、伺服器、馬達驅動、UPS 等領域, GaN 可以挑戰傳統 MOSFET 或 IGBT 器件的地位。GaN 讓電源產品更為輕薄、高效。
GaN 可為下一代充電器市場提供更優選擇
GaN 在未來幾年將在許多應用中取代硅,其中,快充是DI一個可以大規模生產的應用。在 600 伏特左右的 電壓下,GaN 在芯片面積、電路效率和開關頻率方面的表現明顯好于硅,因此在壁式充電器中可以用 GaN 來 替代硅。5G 智能手機的屏幕越來越大,與之對應的是手機續航的需求越來越高,這意味著電池容量的增加。GaN 快充技術可以很好地解決大電池帶來的充電時長問題。
在非常高的電壓、溫度和開關頻率下,GaN 與硅相比具有優越的性能,可顯著提高能源效率。功率 GaN 于 2018 年中后期在售后市場中出現,主要是 Anker、Aukey 和 RAVpower 的 24 至 65 瓦充電器。
在 1990 年代對分立 GaN 及 2000 年代對集成 GaN 進行了多年學術研究之后,Navitas 的 GaNFast 源集成電 路現已成為業界公認的,具有商業吸引力的下一代解決方案。它可以用來設計更小、更輕、更快的充電器和電 源適配器。單橋和半橋的 GaNFast 電源 IC 是由驅動器和邏輯單片集成的 650V 硅基 GaN FET,采用四方扁平無 引線(QFN)封裝。GaNFast 技術允許高達 10 MHz 的開關頻率,從而允許使用更小、更輕的無源元件。此外, 寄生電感限制了 Si 和較早的分立 GaN 電路的開關速度,而集成可以較大限度地減少延遲和消除寄生電感。
GaN 電源市場到 2024 年約 3.5 億美元,CAGR 達 85%
據 Yole 預測,受消費者快速充電器應用推動,到 2024 年 GaN 電源市場規模將超過 3.5 億美元,CAGR 為 85%,有極大增長空間。此外,GaN 還有望進入汽車及工業和電信電源應用中。從生產端看,GaN 功率半導體 已開始批量出貨,但其價格仍然昂貴。制造成本是阻礙市場增長的主要障礙,因為到今天 GaN 仍主要使用 6 英 寸及以下晶圓生產。一旦成本可降低到一定門檻,市場就會爆發。
基于手機快充的激烈競爭,OPPO、vivo、小米等中國手機廠商將帶動 GaN 功率市場快速增長。GaN 功率 器件領域一直由 EPC,GaN Systems,Transphorm 和 Navitas 等純 GaN 初創公司主導,他們的產品主要是 TSMC, Episil 或 X-FAB 代工生產。國內新興代工廠中,三安集成和海威華芯具有量產 GaN 功率器件的能力。
▌光電子領域應用分析
1993 年,Nichia 公司中村修二推出了DI一只高亮度 GaN 藍光 LED,解決了自 1962 年 LED 問世以來高效 藍光缺失的問題,1996 年又首次在藍光 LED 上涂覆黃色熒光粉從而實現白光發射,開啟了 LED 白光照明的新 時代。
Micro LED 是新一代顯示技術,比現有的 OLED 技術亮度更高、發光效率更好,但功耗更低。Micro LED 顯示技術可以將 LED 結構設計薄膜化、微小化與陣列化,尺寸僅約 1~100μm 等級,但精準度可達傳統 LED 的 1 萬倍。此外,Micro LED 在顯示特性上與 OLED 類似,無需背光源且能自發光,區別是 OLED 為有機材 料自發光。目前 OLED 受各大廠商青睞,是因為在反應時間、視角、可撓性、顯色性與能耗等方面均優于 TFTLCD,但 Micro LED 更容易準確調校色彩,且有更長發光壽命和更高亮度。Micro LED 有望繼 OLED 之后, 成為另一項推動顯示品質的技術。
商用的 12 英寸及以上的硅圓晶已經完 全成熟,隨著高均勻度 MOCVD 外延大腔體的推出,硅襯底 LED 外延升級到更大圓晶尺寸不存在本質困難。因 此,硅襯底 GaN 基技術的特性是制造 Micro LED 芯片的天然選擇。
氮化鎵(GaN)因其材料的高頻特性是制備紫外光器件的良好材料,紫外光電芯片具備廣泛的軍民兩用前 景。在軍事領域,典型的軍事應用有:滅火抑爆系統(地面坦克裝甲車輛、艦船和飛機)、紫外制導、紫外告 警、紫外通信、紫外搜救定位、飛機著艦(陸)導引、空間探測、核輻射和生物戰劑監測、爆炸物檢測等。在民 用領域,典型的應用有:火焰探測、電暈放電檢測、醫學監測診斷、水質監測、大氣監測、刑事生物檢測等。由 此可見,GaN 在光電子學和微電子學領域有廣泛的應用,其中 GaN 基紫外激光器在紫外固化、紫外殺菌等領 域有重要的應用價值,也是國際上的研究熱點。
GaN 光電子市場成長快速,市場規模增量可期
根據 LEDinside 分析,LED 照明市場規模 2018-2023 年的 CAGR 為 6%。在物聯網和 5G 新時代,智慧化 產品滲透率更加迅速提升,智能家居照明的商機即將爆發。此外,2022 年 Micro LED 以及 Mini LED 的市場產 值預計將會達到 13.8 億美元。下一代 Mini LED 背光技術將是各家廠商的開發重點,至 2023 年 Mini LED 市場 規模預計會達到 10 億美元。其中顯示屏應用成長速度較快,2018 年至 2023 年 CAGR 預計超過 50%。
根據 LEDinside 發布的《2019 深紫外線 LED 應用市場報告》顯示,2018 年全球 UV LED 市場規模達 2.99 億美金,預計到 2023 年市場規模將達 9.91 億美金,2018-2023 年 CAGR 達到 27%。UV LED 廣闊的發展前景 正吸引越來越多的廠商進入。
基于氮化鎵半導體的深紫外發光二極管(LED)是紫外消毒光源的主流發展方向,其光源體積小、效率高、 壽命長,僅僅是拇指蓋大小的芯片模組,就可以發出比汞燈還要強的紫外光。由于其具備 LED 冷光源的全部潛 在優勢,深紫外 LED 是公認的未來替代紫外汞燈的綠色節能環保產品。但深紫外 LED 技術門檻很高,目前還 是處于發展階段,在光功率、光效、壽命、成本等方面還有待提升。近年來,深紫外 LED 的技術水平和芯片性 能進步很快,在一些高端領域已經得到批量應用,未來預計會得到更加廣泛的應用。
目前市場上高端的深紫外 LED 產品仍主要以日本、韓國廠商為主,不過越來越多的國內半導體公司開始 關注深紫外行業,進行了深度布局。如布局深紫外芯片-封裝-模組產業鏈的青島杰生(圓融光電),深紫外 LED 芯片的三安光電、湖北深紫、中科潞安、華燦光電、鴻利秉一,以及高性能紫外傳感芯片的鎵敏光電。目前,鎵 敏光電是國內僅有擁有紫外傳感芯片技術的公司,其所開發的高端氮化鎵和碳化硅紫外傳感芯片已投入大批量 生產,在飲用水、空氣、食品、衣物和醫療器械等紫外凈化領域得到了規模應用。
▌總結
5G 基站的大規模建設對于 GaN 射頻有巨大需求,全球 GaN 射頻市場主要由住友電工(DI一)、Cree(第 二)占據,其中住友電工是華為 GaN 射頻器件的DI一大供應商。國產廠商在 GaN 射頻領域相對弱勢,但已有不 少廠商布局。
GaN 功率市場主要由快充帶動,其增長強度主要與國產手機廠商在 GaN 快充方面的推進強度相關。目前來 看,今年米 OV 及其部分附屬品牌的旗艦機都將標配 GaN 快充,GaN 快充出貨量有望在今年鋪開。小米的 GaN 快充的電源 IC 由美國廠商 Navitas 供應,電源 IC 主要由國外廠商把控,國內廠商在 GaN 功率器件代工方面有 所布局。

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