Yole prognostiziert in dem Bericht „Galliumnitrid-HF-Markt 2021: Anwendungen, Hauptakteure, Technologien und Substrate“, dass der Markt für Galliumnitrid (GaN)-HF-Bauelemente mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 18 % von 891 Millionen US-Dollar im Jahr 2020 auf mehr als 2.4 Milliarden US-Dollar im Jahr 2026 wachsen wird.
Der Markt wird von Anwendungen im Verteidigungsbereich und der 5G-Telekommunikationsinfrastruktur dominiert werden, die bis 2026 49 % bzw. 41 % des Gesamtmarktes ausmachen werden. Insbesondere das Segment der GaN-basierten Makro-/Mikro-Zellen wird im Jahr 2026 mehr als 95 % des GaN-Telekommunikationsinfrastrukturmarktes ausmachen.  Im Vergleich zu Halbleitern der ersten Generation (auf Siliziumbasis) weisen Halbleiter der dritten Generation eine große Bandlücke, hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit auf. Sie zeichnen sich durch hohe kritische Durchbruchfeldstärken, hohe Elektronenbeweglichkeit und gute Frequenzeigenschaften aus. Galliumnitrid (GaN) ist das repräsentativste Halbleitermaterial der dritten Generation und hat sich zu einem der bevorzugten Werkstoffe für Hochtemperatur-, Hochfrequenz- und Hochleistungsmikrowellengeräte entwickelt. Es ist das Materialsystem mit der bisher höchsten theoretischen elektrooptischen und photoelektrischen Umwandlungseffizienz. Hervorragende Eigenschaften von Galliumnitrid:

Derzeit werden zwei Drittel der GaN-Bauelemente in der Militärelektronik eingesetzt, beispielsweise in der Militärkommunikation, Elektronik, Interferenztechnik, Radartechnik und anderen Bereichen; im zivilen Bereich wird Galliumnitrid hauptsächlich in Kommunikationsbasisstationen, Leistungselektronik und anderen Bereichen verwendet.

In den nächsten fünf Jahren werden elektronische Geräte auf Basis von Halbleitermaterialien der dritten Generation in 5G-Basisstationen, neuen Energiefahrzeugen, UHV, Rechenzentren und anderen Anwendungsbereichen weit verbreitet sein.

       

RF-GaN-Technologie

Es passt perfekt zu 5G.

Die Bandlücke von Galliumnitrid beträgt 3.4 eV, während die Bandlücke von Silizium, dem heute am häufigsten verwendeten Halbleitermaterial, 1.12 eV beträgt. Daher weist Galliumnitrid in Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeitskomponenten eine bessere Performance als Siliziumkomponenten auf.
Galliumnitrid ist seit jeher für seine hohe Leistungsfähigkeit bekannt. Es ist das bevorzugte Verstärkermaterial für drahtlose Kommunikationsgeräte wie Basisstationen, Radargeräte und Avionik. Auch in 4G-Kommunikationssystemen wird es seit vielen Jahren eingesetzt. Im 5G-Mobilfunksystem ist die Datenübertragungsrate von Basisstationen und Mobiltelefonen höher als bei 4G, und die Spektrumsnutzung der Modulationstechnologie ist intensiver, was höhere Anforderungen an Hochfrequenz-Frontend-Komponenten und -Module stellt. Darüber hinaus ist Galliumnitrid weniger empfindlich gegenüber elektromagnetischer Strahlung, und Galliumnitrid-Komponenten weisen eine hohe Stabilität in Strahlungsumgebungen auf. Im Vergleich zu Galliumarsenid (GaAs)-Transistoren können Galliumnitrid-Transistoren bei deutlich höheren Temperaturen und Spannungen betrieben werden, wodurch sie sich ideal als Leistungsverstärker im Mikrowellenbereich eignen. Als Halbleitermaterial der dritten Generation wird Galliumnitrid seit über 20 Jahren erforscht und angewendet, doch erst in den letzten Jahren zeichnen sich seine kommerziellen Entwicklungsperspektiven ab. 5G ist zweifellos einer der Haupttreiber dieser Entwicklung. Die Hochfrequenz-Frontend-Technologie der 5G-Kommunikation stellt hohe Anforderungen an Frequenz und Effizienz – hier kommt Galliumnitrid ins Spiel. Darüber hinaus wird die Nachfrage nach schnellem und effizientem Laden von Elektrofahrzeugen und tragbaren Elektronikgeräten Galliumnitrid-Leistungskomponenten auf den Massenmarkt bringen und sie nach und nach von herkömmlichen Silizium-Leistungskomponenten ablösen.

▲Vergleichstabelle von HF-Leistungstransistoren mit unterschiedlichen Materialsystemen

▲GaNHEMT-Bauelementstruktur▌Hohe Ausgangsleistung und hoher zusätzlicher Wirkungsgrad  

GaN-Materialsysteme lassen sich leicht zu Heteroübergangssystemen wie AlGaN/GaN verbinden. An der Heteroübergangsgrenzfläche treten extrem starke spontane und piezoelektrische Polarisationseffekte auf. Die induzierte Konzentration zweidimensionaler Elektronengase ist sehr hoch und weist eine Elektronenbeweglichkeit von bis zu 2000 cm²/V·s auf. Daher werden Transistoren auf Basis von GaN-Heterostrukturen auch als High Electron Mobility Transistors (HEMT) bezeichnet, kurz GaNHEMT (High Electron Mobility Transistor). Gleichzeitig ist die Durchbruchfeldstärke von GaN hoch und um ein Vielfaches höher als die von Si und GaAs. Die Wärmeleitfähigkeit des in GaNHEMT-Bauelementen verwendeten halbisolierenden SiC-Substrats ist besser als die von metallischem Kupfer, und seine guten Wärmeableitungseigenschaften begünstigen den Betrieb mit hoher Leistung. GaNHEMT zeichnet sich zudem durch geringe parasitäre Kapazität und hohe Durchbruchspannung aus und eignet sich daher hervorragend für die Realisierung hocheffizienter Leistungsverstärker (PA, PowerAmplifier).

▌Lange Impulsbreite, hohes Tastverhältnis  

GaNHEMTs werden üblicherweise epitaktisch auf einem SiC-Halbisolatorsubstrat mit großer Bandlücke gewachsen. Durch geeignete Steuerung der Leistungsdichte lassen sich mit GaNHEMTs problemlos lange Pulsdauern und hohe Tastverhältnisse erzielen, wodurch ein Betrieb im Dauerstrichbetrieb mit hoher Leistung möglich ist.

▌Arbeitsfrequenzbandbreite, hohe Frequenz  

Die Grenzfrequenz von GaNHEMTs bestimmt direkt die Betriebsfrequenz und die momentane Bandbreite ihrer Anwendung. Sie steigt mit zunehmender Dotierungskonzentration im Kanal und sinkt mit zunehmender Kanaldicke und Gate-Länge. Aufgrund der begrenzten Bandlückenenergie von Silizium (Si) ist dessen Grenzfrequenz niedrig, weshalb Si-Halbleiter-Leistungshalbleiter nur unterhalb des S-Bandes arbeiten können. GaAs-Bauelemente weisen eine deutlich höhere Ladungsträgermobilität und eine hohe Grenzfrequenz auf. Allerdings sind sie durch die Durchbruchfeldstärke begrenzt und haben eine niedrige Betriebsspannung, was zu einer geringen Ausgangsleistung führt. GaNHEMTs zeichnen sich durch eine große Bandlückenenergie, eine hohe Durchbruchfeldstärke und eine hohe Sättigungs-Elektronendriftgeschwindigkeit aus, wodurch diese Nachteile kompensiert und gute Hochfrequenzeigenschaften erzielt werden. GaNHEMTs können bei höheren Frequenzen und gleichzeitig hoher Ausgangsleistung betrieben werden. Darüber hinaus führen die inhärenten Eigenschaften von GaNHEMTs zu höheren Eingangs- und Ausgangsimpedanzen, wodurch die Breitband-Impedanzanpassung der Schaltung einfacher zu realisieren ist. Dies macht GaNHEMTs für Breitbandanwendungen geeignet.

▲Leistungsfrequenz-Arbeitsbereich von HF-Bauelementen in verschiedenen Materialsystemen▌Hohe Strahlungsbeständigkeit und hohe Umweltanpassungsfähigkeit  

GaN ist eine extrem stabile Verbindung mit starken atomaren Bindungen, hoher Wärmeleitfähigkeit, dem höchsten Ionisierungsgrad aller III-V-Verbindungen und guter chemischer Stabilität. Dadurch sind GaN-Bauelemente strahlungsresistenter als Si- und GaAs-Bauelemente. Gleichzeitig ist GaN ein Material mit hohem Schmelzpunkt und hoher Wärmeleitfähigkeit. GaN-Leistungshalbleiter verwenden üblicherweise SiC mit besserer Wärmeleitfähigkeit als Substrat. Dadurch erreichen GaN-Leistungshalbleiter eine höhere Sperrschichttemperatur und können in Hochtemperaturumgebungen eingesetzt werden.

Parameter	Si	GaAs	GaN
Bandlückenbreite (eV)	1.1	1.4	3.4
Dielektrizitätskonstante	11.8	12.8	9.0
Durchbruchfeldstärke (106⁶ V/cm)	0.6	0.7	3.5
Wärmeleitfähigkeit (W/cm·K)	1.3	0.5	1.3
Elektronenbeweglichkeit (cm2/Vs)	1450	8500	900
Sättigungselektronengeschwindigkeit (107 cm/s)	1.0	2.0	2.7

▲Wichtigste Eigenschaften der wichtigsten Halbleitermaterialien

GaN-HF-Bauelemente

in verschiedenen AnwendungenLeistungsvorteile

Mobilfunkbasisstationen gehören zu den Hauptanwendungen von GaN-Hochfrequenzbauelementen. Im Vergleich zu 4G hat sich das Kommunikationsfrequenzband von 5G in höhere Frequenzbereiche verlagert. Derzeit liegt das Kommunikationsfrequenzband des 4G-Netzes in meinem Land hauptsächlich bei 2.6 GHz. Im Jahr 2017 veröffentlichte das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie einen Frequenznutzungsplan für 5G-Systeme im Frequenzband von 3–5 GHz (mittleres Frequenzband). Zukünftig werden zur Kapazitätserweiterung schrittweise höhere Frequenzbänder über 6 GHz hinzukommen.

Im Vergleich zu SiLDMOS und GaAs können GaN-HF-Bauelemente in Basisstationen die Anforderungen von 5G hinsichtlich hoher Leistung, großer Kommunikationsfrequenzen und hoher Effizienz deutlich besser erfüllen. SiLDMOS liefert zwar hohe Ausgangsleistungen, ist aber frequenztechnisch nur bis maximal 3.5 GHz effektiv. Die Frequenz von GaAs-Leistungsverstärkern lässt sich zwar erhöhen, ihre Ausgangsleistung ist jedoch deutlich geringer als die von GaN-Bauelementen. Daher sind GaN-Leistungsverstärker für Basisstationen die beste Wahl, wenn es um 5G-Kommunikation mit hohen Anforderungen an Leistung, hohe Frequenz und große Bandbreite geht.

▌Militärische Anwendungen – Vorteile von Galliumnitrid in Radar- und Elektronikkampfsystemen  

Der größte Markt für Hochfrequenz-Galliumnitrid-Bauelemente liegt heute im Militär- und Luftfahrtsektor. Vor etwa fünfzehn Jahren begannen Forscher mit Fördermitteln des US-Verteidigungsministeriums in die Hochfrequenz-Galliumnitrid-Technologie zu investieren, woraus der heutige Markt für diese Bauelemente entstand.

Laut Statistiken von Strategy Analytics entfallen 40 % des gesamten Marktvolumens von RF-Galliumnitrid auf Anwendungen im Verteidigungs- und Luftfahrtbereich, wobei Radar- und elektronische Kampfführungssysteme die größten Anwendungsmärkte für RF-Galliumnitrid darstellen.

Im März 2017 gab Raytheon bekannt, dass sein Patriot-Raketenabwehrsystem mit dem neuesten Antennensystem auf Basis von Galliumnitrid-Technologie ausgestattet ist. Patriot Missile Defense ist ein landgestütztes Raketenabwehrsystem, das ballistische Raketen, Drohnen und Flugzeuge abfangen kann.

▲Patriot-Rakete

Die im alten Patriot-System verwendete Radartechnologie war ein passives elektronisch gesteuertes Phased-Array-Radar. Das neue Radarsystem wurde auf ein aktives elektronisch gesteuertes Phased-Array-Radar (AESA) umgestellt. Das aktive elektronisch gesteuerte Phased-Array-Radar verleiht dem Patriot-System eine 360-Grad-Radarfunktion.

„Raytheon ist überzeugt, dass die Aufrüstung auf ein aktives elektronisch gesteuertes Phased-Array-Radar auf Basis der Galliumnitrid-Technologie es dem Patriot-System ermöglichen wird, seinen Vorteil gegenüber neuen Offensivwaffen zu wahren“, sagte Tim Glaeser, Vizepräsident für Geschäftsentwicklung bei Raytheon Air and Missile Integrated Defense.

Aktives elektronisch gesteuertes Phased-Array-Radar basiert auf der Phased-Array-Technologie. Das Phased-Array-Gerät enthält eine Gruppe von Antennen, die einzeln angesteuert werden können. Mithilfe der Beamforming-Technologie lässt sich die Antennengruppe in verschiedene Richtungen ausrichten.

Es ist bemerkenswert, dass diese Technologien zunehmend vom militärischen in den kommerziellen Bereich übergehen. So werden beispielsweise aktive elektronisch gesteuerte Array- und Phased-Array-Antennen in der 60-GHz-Millimeterwellen-WLAN-Technologie, in Automobilradarsystemen und in drahtlosen Basisstationen eingesetzt. Darüber hinaus wird die Phased-Array-Technologie in 5G weit verbreitet sein.

Gleichzeitig wurden Leistungsverstärker, die mit Galliumnitrid-Technologie hergestellt wurden, auch in militärischen Handfunkgeräten für Punkt-zu-Punkt-Kommunikation eingesetzt.

▌Kommerzielle Anwendungen – Leistungsvorteile von Galliumnitrid im Energiemanagement  

Galliumnitrid ist ein Halbleitermaterial mit großer Bandlücke (WBG), das es Leistungskomponenten ermöglicht, bei höheren Spannungen, Frequenzen und Temperaturen als herkömmliche Silizium-Halbleitermaterialien zu arbeiten. Zu den Vorteilen von Galliumnitrid in Anwendungen des Energiemanagements gehören:

• Die Leitungsverluste sind gering und die Energieeffizienz ist hoch. Der Einschaltwiderstand (Rds,on) von Galliumnitrid-Transistoren ist halb so groß wie der von herkömmlichen Siliziumbauteilen, was zu geringeren Verlusten und höherer Energieeffizienz bei gleichem Ausgangsstrom führt. Geringe Verluste bedeuten auch geringe Wärmeentwicklung, was die Auslegung von Wärmeableitungskomponenten und Wärmemanagementsystemen effektiv vereinfachen kann;

• Der Galliumnitrid-Transistor besitzt keine Body-Diode und es treten keine Sperrverzögerungsverluste auf;

• Die Eingangsladung von GaN-Transistoren ist sehr gering und es gibt fast keine Gate-Ansteuerverluste;

• Leistungskomponenten aus Galliumnitrid können höhere Schaltfrequenzen unterstützen (Galliumnitrid: 1 MHz, Silizium: < 100 kHz), wodurch die Größe passiver Bauteile reduziert wird;

• Die Leistungsdichte von Galliumnitrid-Bauelementen ist sehr hoch und kann mehr als das Vierfache derjenigen von siliziumbasierten LDMOS-Bauelementen erreichen. Dadurch kann die Ausgangsleistung erhöht und gleichzeitig die Größe reduziert werden.

  
  

     

Chen Qingyuan, Senior Marketing Manager der Infineon-Division für Energiemanagement und Multielektronik in Großchina, verglich die Vor- und Nachteile von Galliumnitrid und Siliziumkarbid (SiC), beides Halbleitermaterialien der dritten Generation. Beide zeichnen sich durch schnelle Schaltzeiten und Effizienzsteigerungen aus, Galliumnitrid weist jedoch geringere Verluste als Silizium auf.

Ein weiterer Vergleich verschiedener Anwendungsszenarien zeigt, dass SiC in Hochleistungs- und Hochspannungsanwendungen eine hohe Marktreife und Kosteneffizienz aufweist, während Galliumnitrid in Nieder- und Mittelspannungsanwendungen von 100 V bis 600 V eine höhere Kosteneffizienz erzielt. Strukturell betrachtet ist Galliumnitrid eine laterale Struktur (wie z. B. JFET), wodurch die Hochspannungsfestigkeit von SiCMOSFET (vertikale Struktur) schwer zu erreichen ist.

Galliumnitrid ist für Schalter, die im Normalzustand gesperrt sind, besonders geeignet und stellt die Nachfolgetechnologie aller bisher verwendeten Siliziumtransistoren dar. Darüber hinaus ermöglicht GaN aus Systemperspektive eine kompaktere Topologie.

Die von Infineon entwickelte CoolGaN-Produktreihe umfasst Galliumnitrid-Enhancement-Mode-HEMTs (High Electron Mobility Transistors), die sich hervorragend für Hochfrequenzschaltungen unter Hochspannung eignen. Sie ermöglichen eine flachere Bauweise und eine höhere Leistungsdichte, wodurch der Wirkungsgrad weiter verbessert und die Systemkosten gesenkt werden.

Yong Ang, strategischer Marketingdirektor von ON Semiconductor, erklärte weiter, dass Galliumnitrid-Bauteile eine geringere parasitäre Kapazität als Silizium-Bauteile aufweisen, wodurch die Schaltverluste im Zusammenhang mit der Gate-Ladung Qg reduziert und die Schaltfrequenz auf einen Bereich von Hunderten von kHz bis MHz erhöht werden können, ohne die Energieeffizienz zu beeinträchtigen.

Im Gegensatz zu Silizium-Leistungsbauelementen besitzt Galliumnitrid keine Body-Diode. Das zweidimensionale Elektronengas (2DEG) an der Grenzfläche zwischen Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) und Galliumnitrid kann Strom in umgekehrter Richtung leiten, jedoch tritt keine Sperrverzögerungsladung (QRR) auf, wodurch es sich hervorragend für Anwendungen mit harten Schaltvorgängen eignet.

Aufgrund seiner Überspannungsempfindlichkeit und der im Vergleich zu Silizium sehr geringen Lawinenfestigkeit eignet sich Galliumnitrid besonders für Halbbrückenschaltungen, bei denen die Drain-Source-Spannung auf die Versorgungsspannung begrenzt ist. Galliumnitrid ist auch für Nulldurchgangsschalt-Topologien (ZVS) wie Resonanz-LLC, Active-Clamp-Flyback und hartschaltende Totem-Pole-PFC sehr attraktiv.

▲Entwicklung der gängigen Hochfrequenzgerätetechnologie in verschiedenen Anwendungsbereichen

Globale GaN-HF-Bauelemente

Wettbewerbslandschaft der Wertschöpfungskette

Die wichtigsten Märkte für Hochfrequenzgeräte sind derzeit folgende: Markt für Mobiltelefone und Kommunikationsmodule (ca. 80 %), Markt für WLAN-Router (ca. 9 %), Markt für Kommunikationsbasisstationen (ca. 9 %) und NB-IoT-Markt (ca. 2 %).

▌Wichtige Unternehmen und Produktfortschritte in der ausländischen GaN-Hochfrequenzgeräteindustrie  

Die Markteinführung von GaN-Mikrowellen-HF-Bauelementen hat sich deutlich beschleunigt. Obwohl der Bereich der Mikrowellen-Hochfrequenztechnik derzeit viel Aufmerksamkeit auf sich zieht, gibt es aufgrund des hohen technischen Niveaus und der hohen Patentbarrieren im Vergleich zur Leistungselektronik und Optoelektronik weniger Unternehmen in diesem Sektor. Die meisten dieser Unternehmen verfügen jedoch über eine starke Forschungskompetenz und operative Marktfähigkeit. Das kommerzielle Angebot an GaN-Mikrowellen-HF-Bauelementen wächst rasant.

Qorvo-Produkte weisen den größten Betriebsfrequenzbereich auf, während Skyworks-Produkte einen kleineren Betriebsfrequenzbereich haben. Die Ausgangsleistung von 73 % der Produkte von Qorvo, CREE und MACOM liegt zwischen 10 W und 100 W, wobei die maximale Leistung 1500 W erreicht (Betriebsfrequenz 1.0–1.1 GHz, hergestellt von Qorvo). Die verwendete Technologie basiert hauptsächlich auf dem GaN/SiC-GaN-Verfahren.

Darüber hinaus bieten einige Unternehmen GaN-HF-Module an. Derzeit vertreiben vier Unternehmen GaN-HF-Verstärker. Die Produkte von Qorvo zeichnen sich durch den größten Betriebsfrequenzbereich aus und erreichen eine maximale Betriebsfrequenz von 31 GHz. Die Produkte von Skyworks arbeiten in niedrigeren Frequenzbereichen, hauptsächlich zwischen 0.05 und 1.218 GHz.

Qorvo bietet HF-Verstärker in den umfangreichsten Produktkategorien an. Innerhalb der beiden vom chinesischen Ministerium für Industrie und Informationstechnologie angekündigten 5G-Frequenzbänder (3.3–3.6 GHz und 4.8–5 GHz) hat Qorvo die meisten HF-Verstärker-Produktkategorien auf den Markt gebracht. Die Spitzenleistungen erreichen dabei 100 W bzw. 80 W (im Januar lag die maximale Leistung der Qorvo-Produkte im 4.8–5-GHz-Bereich bei 60 W). Die Spitzenleistung der ADI-Produkte im 4.8–5-GHz-Bereich wurde auf 50 W erhöht (die maximale Leistung der Vorgängerprodukte lag unter 40 W), während die Leistung der übrigen Produkte größtenteils unter 50 W liegt.

▌Wichtige Unternehmen und Produktentwicklungen der GaN-HF-Bauelementeindustrie auf dem chinesischen Festland  

Aus Sorge um das Tempo der technologischen Entwicklung meines Landes und der Idee, die Entwicklung der neuen Materialtechnologie meines Landes einzudämmen, haben europäische und amerikanische Länder meinem Land eine nahezu vollständige Technologie- und Materialblockade im Bereich der Halbleitermaterialien der dritten Generation auferlegt.

Unter diesen Umständen haben die wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen und Unternehmen meines Landes, basierend auf unabhängiger Innovation, bemerkenswerte Ergebnisse im Bereich der GaN-Mikrowellen-Hochfrequenztechnik erzielt. Sie haben Durchbrüche im Militär- und Verteidigungsbereich sowie im Bereich der zivilen Kommunikation erzielt und Schlüsselunternehmen wie CETC 13, CETC 55, ZTE und Datang Mobile sowie bedeutende Kunden wie China Mobile und China Unicom geschaffen.

Suzhou Nengxun hat HF-Leistungstransistoren mit Frequenzen bis zu 6 GHz, einer Betriebsspannung von 48 V und einer Nennleistung von 10 W bis 320 W auf den Markt gebracht.

Im Bereich der Mobilkommunikation bietet Suzhou Nengxun bereits hocheffiziente und leistungsstarke HF-Leistungsverstärkerröhren an, die sich für mobile Anwendungen wie LTE, 4G und 5G eignen. Der Betriebsfrequenzbereich liegt zwischen 1.8 und 3.8 GHz, die Betriebsspannung bei 48 V, die Nennleistung zwischen 130 W und 390 W und die durchschnittliche Leistung zwischen 16 W und 55 W.

Haftungsausschluss: Dieser Artikel wurde aus „GaN World“ übernommen. Er gibt ausschließlich die persönliche Meinung des Autors wieder und spiegelt nicht die Ansichten von Sacco Micro oder der Branche wider. Die Übernahme und Verbreitung erfolgt lediglich zum Schutz geistigen Eigentums. Bitte geben Sie bei der Übernahme die Originalquelle und den Autor an. Sollten Urheberrechte verletzt werden, bitten wir Sie, uns zu kontaktieren, damit wir den entsprechenden Artikel entfernen können.

Firmentelefonnummer: +86-0755-83044319
Fax: +86-0755-83975897
E-Mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Manager Li

QQ: 332496225 Manager Qiu

Adresse: Raum 809, Gebäude C, Zhantao Technology Building, Minzhi Avenue 1079, Longhua New District, Shenzhen