En el informe "Mercado de RF de nitruro de galio 2021: aplicaciones, principales actores, tecnologías y sustratos", Yole predice que el mercado de dispositivos de RF de nitruro de galio (GaN) está creciendo a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 18%, pasando de 891 millones de dólares estadounidenses en 2020 a más de 2.4 millones de dólares estadounidenses en 2026.
El mercado estará dominado por las aplicaciones de defensa e infraestructura de telecomunicaciones 5G, que representarán el 49 % y el 41 % del mercado total, respectivamente, para 2026. En particular, el segmento de redes macro/microcelulares basadas en GaN representará más del 95 % del mercado de infraestructura de telecomunicaciones de GaN en 2026.  En comparación con los semiconductores de primera generación (basados ​​en silicio), los semiconductores de tercera generación presentan una amplia banda prohibida, alta conductividad eléctrica y alta conductividad térmica. Poseen características como un alto campo eléctrico crítico de ruptura, alta movilidad electrónica y buenas características de frecuencia. El nitruro de galio (GaN) es el material semiconductor de tercera generación más representativo y se ha convertido en uno de los materiales preferidos para dispositivos de microondas de alta temperatura, alta frecuencia y alta potencia. Es el sistema de materiales con la mayor eficiencia teórica de conversión electroóptica y fotoeléctrica hasta la fecha. Excelentes características del nitruro de galio:

Actualmente, dos tercios de los dispositivos de GaN se utilizan en electrónica militar, como comunicaciones militares, electrónica, interferencias, radares y otros campos; en el ámbito civil, el nitruro de galio se utiliza principalmente en estaciones base de comunicaciones, dispositivos de alimentación y otros campos.

En los próximos cinco años, los dispositivos electrónicos basados ​​en materiales semiconductores de tercera generación se utilizarán ampliamente en estaciones base 5G, vehículos de energías renovables, sistemas de ultra alto vacío (UHV), centros de datos y otros escenarios.

       

Tecnología RF GaN

Es la combinación perfecta para 5G.

La banda prohibida del nitruro de galio es de 3.4 eV, mientras que la del silicio, el material semiconductor más utilizado actualmente, es de 1.12 eV. Por lo tanto, el nitruro de galio ofrece un mejor rendimiento que los componentes de silicio en aplicaciones de alta potencia y alta velocidad.
El nitruro de galio siempre se ha caracterizado por su alta capacidad de procesamiento de potencia. Es el amplificador preferido para equipos de comunicación inalámbrica, como estaciones base, radares y aviónica. También se ha utilizado en sistemas de comunicación 4G durante muchos años. En el sistema de comunicación móvil 5G, la velocidad de transmisión de datos de las estaciones base y los terminales de telefonía móvil es superior a la del 4G, y la utilización del espectro de la tecnología de modulación es mayor, lo que impone mayores exigencias a los componentes y módulos de la interfaz de radiofrecuencia. Además, el nitruro de galio es menos sensible a la radiación electromagnética, y sus componentes muestran una alta estabilidad en entornos de radiación. En comparación con los transistores de arseniuro de galio (GaAs), los transistores de nitruro de galio pueden operar a temperaturas y voltajes mucho más altos, lo que los convierte en componentes ideales para la amplificación de potencia en frecuencias de microondas. Como material semiconductor de tercera generación, el nitruro de galio se ha investigado y aplicado durante más de 20 años, pero solo en los últimos años han comenzado a surgir sus perspectivas de desarrollo comercial. El 5G es, sin duda, uno de los principales impulsores de este desarrollo. La interfaz de radiofrecuencia de las comunicaciones 5G exige alta frecuencia y alta eficiencia, y es ahí donde entra en juego el nitruro de galio. Además, la demanda de carga rápida y eficiente para la electrificación de automóviles y dispositivos electrónicos portátiles impulsará la adopción masiva de componentes de potencia de nitruro de galio, reemplazando gradualmente los componentes de potencia de silicio tradicionales.

▲Tabla comparativa de transistores de potencia de RF con diferentes sistemas de materiales

▲Estructura del dispositivo GaNHEMT▌Alta potencia de salida y alta eficiencia adicional  

Los sistemas de materiales GaN son fáciles de formar heteroestructuras como AlGaN/GaN. En la interfaz de la heteroestructura se observan efectos de polarización espontánea y piezoeléctrica extremadamente fuertes. La concentración de gas de electrones bidimensional inducida es muy alta y presenta una movilidad electrónica de hasta 2000 cm²/V·s. Por lo tanto, los transistores basados ​​en heteroestructuras de GaN también se denominan transistores de alta movilidad electrónica, es decir, GaNHEMT (HighElectronMobilityTransistor). Al mismo tiempo, la rigidez dieléctrica del material GaN es alta, varias veces superior a la del Si y el GaAs; la conductividad térmica del sustrato semi-aislante de SiC utilizado en los dispositivos GaNHEMT es mejor que la del cobre metálico, y sus buenas características de disipación de calor favorecen el funcionamiento a alta potencia; además, el GaNHEMT presenta una baja capacitancia parásita y una alta tensión de ruptura, lo que lo hace muy adecuado para la fabricación de amplificadores de potencia (PA, PowerAmplifier) ​​de alta eficiencia.

▌Ancho de pulso largo, ciclo de trabajo alto  

El GaNHEMT se cultiva generalmente de forma epitaxial sobre un sustrato semi-aislante de SiC, un material de banda prohibida ancha. Un control adecuado de la densidad de potencia del GaNHEMT permite obtener fácilmente pulsos de gran amplitud, ciclos de trabajo elevados y funcionamiento en onda continua de alta potencia.

▌Ancho de banda de frecuencia de trabajo, alta frecuencia  

La frecuencia de corte del GaNHEMT determina directamente la frecuencia de operación y el ancho de banda instantáneo de su aplicación. Esta frecuencia aumenta con la concentración de dopaje del canal y disminuye con el aumento del grosor del canal y la longitud de la compuerta. Debido a la limitación de la energía de la banda prohibida del material semiconductor de silicio, su frecuencia de corte es baja, por lo que los dispositivos de potencia semiconductores de silicio solo pueden operar por debajo de la banda S. Los dispositivos de arseniuro de galio (GaAs) presentan una movilidad de portadores mucho mayor que otros dispositivos y una alta frecuencia de corte. Sin embargo, están limitados por la rigidez dieléctrica y tienen un bajo voltaje de operación, lo que resulta en una baja potencia de salida. El GaNHEMT posee características como una amplia energía de banda prohibida, una alta rigidez dieléctrica y una alta velocidad de deriva de electrones de saturación, lo que compensa esta deficiencia y permite obtener un buen rendimiento a alta frecuencia. El GaNHEMT puede operar a frecuencias más altas y, al mismo tiempo, tener una alta potencia de salida. Además, las características inherentes del GaNHEMT hacen que su impedancia de entrada y salida sea mayor, y la adaptación de impedancia de banda ancha del circuito es más fácil de lograr, lo que hace que el GaNHEMT sea adecuado para aplicaciones de banda ancha.

▲Rango de funcionamiento en frecuencia de potencia de los dispositivos de RF en diferentes sistemas de materiales▌Alta resistencia a la radiación y gran adaptabilidad ambiental.  

El GaN es un compuesto extremadamente estable con fuertes enlaces atómicos, alta conductividad térmica, el mayor grado de ionización entre los compuestos III-V y buena estabilidad química, lo que hace que los dispositivos de GaN sean más resistentes a la radiación que el Si y el GaAs. Al mismo tiempo, el GaN es un material de alto punto de fusión con alta conductividad térmica. Los dispositivos de potencia de GaN suelen utilizar SiC, que tiene mejor conductividad térmica, como sustrato, por lo que estos dispositivos tienen una temperatura de unión más alta y pueden funcionar en entornos de alta temperatura.

parámetro	Si	GaAs	GaN
Ancho de banda prohibida (eV)	1.1	1.4	3.4
Constante dieléctrica	11.8	12.8	9.0
Rigidez dieléctrica (106⁶ V/cm)	0.6	0.7	3.5
Conductividad térmica (W/cm·K)	1.3	0.5	1.3
Movilidad de los electrones (cm²/Vs)	1450	8500	900
Velocidad de saturación de los electrones (107 cm/s)	1.0	2.0	2.7

▲Propiedades clave de los principales materiales semiconductores

Dispositivos de RF de GaN

en varias aplicacionesVentajas de rendimiento

Las estaciones base de comunicaciones móviles son una de las principales aplicaciones de los dispositivos de radiofrecuencia GaN. En comparación con 4G, la banda de frecuencia de comunicación de 5G ha migrado a bandas de alta frecuencia. Actualmente, la banda de frecuencia de comunicación de la red 4G de mi país se sitúa principalmente en 2.6 GHz. En 2017, el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información publicó un plan de uso de frecuencias para sistemas 5G en la banda de frecuencia de 3 a 5 GHz (banda de frecuencia media). En el futuro, se irán añadiendo gradualmente bandas de alta frecuencia superiores a 6 GHz para ampliar la cobertura.

En comparación con SiLDMOS y GaAs, los dispositivos de RF de GaN en la estación base satisfacen de manera más eficaz los requisitos de alta potencia, banda de frecuencia de comunicación amplia y alta eficiencia de 5G. Si bien SiLDMOS puede ofrecer alta potencia, su eficacia se limita a un rango espectral de hasta 3.5 GHz. Aunque la frecuencia de los amplificadores de potencia de GaAs puede incrementarse, su potencia de salida es significativamente inferior a la de los dispositivos de GaN. Por lo tanto, para comunicaciones 5G que requieren alta potencia, alta frecuencia y gran ancho de banda, los amplificadores de potencia de GaN son la mejor opción para las estaciones base.

▌Aplicaciones militares: ventajas del nitruro de galio en sistemas de radar y guerra electrónica.  

El mayor mercado para los dispositivos de nitruro de galio de radiofrecuencia se encuentra actualmente en los sectores militar y aeroespacial. Hace unos quince años, con financiación del Departamento de Defensa de Estados Unidos, los investigadores comenzaron a invertir en la tecnología de nitruro de galio de radiofrecuencia, lo que dio origen al mercado actual de dispositivos de nitruro de galio de radiofrecuencia.

Según las estadísticas de Strategy Analytics, las aplicaciones de defensa y aeroespaciales representan el 40% del tamaño total del mercado de nitruro de galio de radiofrecuencia, y los sistemas de radar y guerra electrónica son los mayores mercados de aplicación para el nitruro de galio de radiofrecuencia.

En marzo de 2017, Raytheon anunció que su sistema de defensa antimisiles Patriot incorporaba el sistema de antenas más reciente, basado en tecnología de nitruro de galio. El sistema Patriot es un sistema de defensa antimisiles terrestre capaz de interceptar misiles balísticos, drones y aeronaves.

▲Misil Patriot

La tecnología de radar utilizada en el antiguo sistema Patriot se denominaba antena de barrido electrónico pasivo. El nuevo sistema de radar se modificó a una antena de barrido electrónico activo (AESA). Esta antena de barrido electrónico activo proporcionará al sistema Patriot capacidades de radar de 360 ​​grados.

"Raytheon cree que la actualización a un radar de barrido electrónico activo basado en tecnología de nitruro de galio permitirá que el sistema Patriot mantenga su ventaja frente a las nuevas armas ofensivas", declaró Tim Glaeser, vicepresidente de desarrollo comercial de Raytheon Air and Missile Integrated Defense.

El radar de barrido electrónico activo se basa en la tecnología de antenas en fase. El dispositivo de antenas en fase contiene un grupo de antenas que se pueden controlar individualmente. Mediante la tecnología de formación de haces, el grupo de antenas se puede orientar en diferentes direcciones.

Cabe destacar que estas tecnologías están pasando del ámbito militar al comercial. Por ejemplo, las antenas de barrido electrónico activo y las antenas de fase se han utilizado en la tecnología Wi-Fi de ondas milimétricas de 60 GHz, en sistemas de radar para automóviles y en estaciones base inalámbricas. Además, la tecnología de antenas de fase se utilizará ampliamente en 5G.

Al mismo tiempo, los amplificadores de potencia fabricados con tecnología de nitruro de galio también se han utilizado en radios portátiles militares para comunicaciones punto a punto.

▌Aplicaciones comerciales: ventajas de rendimiento del nitruro de galio en la gestión de energía.  

El nitruro de galio es un material semiconductor de banda prohibida ancha (WBG) que permite que los componentes de potencia operen a voltajes, frecuencias y temperaturas más altas que los materiales semiconductores de silicio tradicionales. En aplicaciones de gestión de energía, las ventajas del nitruro de galio incluyen:

• La pérdida por conducción es pequeña y la eficiencia energética es alta. La resistencia de encendido (Rds,on) de los transistores de nitruro de galio es la mitad que la de los componentes de silicio tradicionales, lo que resulta en menores pérdidas y mayor eficiencia energética con la misma corriente de salida. Las bajas pérdidas también implican una baja generación de calor, lo que puede simplificar eficazmente el diseño de componentes de disipación de calor y sistemas de gestión térmica.

• El transistor de nitruro de galio no tiene diodo intrínseco y no presenta pérdidas por recuperación inversa;

• La carga de entrada de los transistores de GaN es muy pequeña y prácticamente no hay pérdidas por excitación de la puerta;

• Los componentes de potencia de nitruro de galio pueden soportar frecuencias de conmutación más altas (nitruro de galio: 1 MHz, silicio: <100 kHz), lo que reduce el tamaño de los componentes pasivos;

• La densidad de potencia de los componentes de nitruro de galio es muy alta, pudiendo alcanzar más de cuatro veces la de los LDMOS basados ​​en silicio. Esto permite aumentar la potencia de salida a la vez que se reduce el tamaño.

  
  

     

Chen Qingyuan, gerente sénior de marketing de la División de Gestión de Energía y Multielectrónica de Infineon en la Gran China, comparó las ventajas y desventajas del nitruro de galio y el SiC, ambos materiales semiconductores de tercera generación. Ambos ofrecen un rendimiento de conmutación rápido y contribuyen a mejorar la eficiencia, pero el nitruro de galio presenta menores pérdidas que el silicio.

Una comparación más detallada en diferentes escenarios de aplicación muestra que, en aplicaciones de alta potencia y alto voltaje, el SiC presenta una buena madurez y rentabilidad; mientras que en aplicaciones de bajo y medio voltaje (de 100 V a 600 V), el nitruro de galio ofrece una mayor rentabilidad. Desde el punto de vista estructural, el nitruro de galio tiene una estructura lateral (como el JFET), y resulta difícil alcanzar la capacidad de alto voltaje del SiCMOSFET (estructura vertical).

El nitruro de galio resulta más atractivo para interruptores que normalmente están apagados y representa la tecnología sucesora de todos los transistores de silicio utilizados hasta la fecha. Además, desde una perspectiva global del sistema, la ventaja del GaN radica en que permite una topología más compacta.

La serie de productos CoolGaN desarrollada por Infineon es un transistor de alta movilidad electrónica (E-HEMT) de nitruro de galio con modo de enriquecimiento, ideal para la conmutación a alta frecuencia y alto voltaje. Permite un diseño más delgado y una mayor densidad de potencia, mejorando así la eficiencia de conversión y reduciendo el costo total del sistema.

Yong Ang, director de marketing estratégico de ON Semiconductor, explicó además que los componentes de nitruro de galio tienen una capacitancia parásita menor que los componentes de silicio, por lo que pueden reducir las pérdidas de conmutación relacionadas con la carga de puerta Qg y aumentar la frecuencia de conmutación a un rango de cientos de kHz a MHz sin reducir la eficiencia energética.

A diferencia de los componentes de potencia de silicio, el nitruro de galio no tiene diodo intrínseco. El gas de electrones bidimensional (2DEG) en la superficie límite de nitruro de galio y aluminio (AlGaN)/nitruro de galio puede conducir corriente en sentido inverso, pero no presenta una carga de recuperación inversa (QRR), lo que lo hace muy adecuado para aplicaciones de conmutación brusca.

Debido a la sensibilidad del nitruro de galio a las sobretensiones y a su capacidad de avalancha muy limitada en comparación con el silicio, resulta especialmente adecuado para topologías de medio puente, donde la tensión drenador-fuente se limita a la tensión de alimentación. El nitruro de galio es muy atractivo en topologías de conmutación de tensión cero (ZVS), como LLC resonante, flyback de sujeción activa y PFC de tipo tótem con conmutación brusca.

▲Evolución de las principales rutas tecnológicas de dispositivos de radiofrecuencia en diferentes campos de aplicación.

Dispositivos de RF de GaN globales

Panorama competitivo de la cadena de la industria

Actualmente, los principales mercados para dispositivos de radiofrecuencia son los siguientes: el mercado de teléfonos móviles y módulos de comunicación, que representa aproximadamente el 80%; el mercado de enrutadores WIFI, que representa aproximadamente el 9%; el mercado de estaciones base de comunicación, que representa aproximadamente el 9%; y el mercado de NB-IoT, que representa aproximadamente el 2%.

▌Empresas clave y avances de productos en la cadena de valor de los dispositivos de radiofrecuencia GaN en el extranjero.  

El lanzamiento de productos de dispositivos de radiofrecuencia de microondas de GaN se ha acelerado significativamente. Si bien el campo de la radiofrecuencia de microondas ha atraído mucha atención en la actualidad, debido al alto nivel técnico y las excesivas barreras de patentes, no existen muchas empresas en este sector en comparación con los campos de la electrónica de potencia y la optoelectrónica. Sin embargo, la mayoría de ellas poseen una sólida capacidad de investigación científica y de operación en el mercado. La oferta comercial de dispositivos de radiofrecuencia de microondas de GaN está creciendo rápidamente.

Los productos de Qorvo tienen el rango de frecuencia operativa más amplio, mientras que los de Skyworks tienen un rango menor. La potencia de salida del 73 % de los productos de Qorvo, CREE y MACOM se concentra entre 10 W y 100 W, alcanzando la potencia máxima los 1500 W (frecuencia operativa de 1.0-1.1 GHz, fabricados por Qorvo). La tecnología empleada es principalmente la ruta GaN/SiC GaN.

Además, algunas empresas ofrecen módulos de RF de GaN. Actualmente, cuatro empresas comercializan amplificadores de RF de GaN. Entre ellas, los productos de Qorvo ofrecen el mayor rango de frecuencia operativa, alcanzando una frecuencia máxima de 31 GHz. Los productos de Skyworks operan a frecuencias más bajas, principalmente entre 0.05 y 1.218 GHz.

Los amplificadores de RF de Qorvo están disponibles en la mayor variedad de categorías de productos. Dentro de las dos bandas de frecuencia operativas 5G (3.3-3.6 GHz y 4.8-5 GHz) anunciadas por el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información de mi país, Qorvo ha lanzado la mayor cantidad de categorías de productos de amplificadores de RF, con una potencia máxima que alcanza los 100 W y 80 W respectivamente (la potencia máxima de los productos de Qorvo de 4.8-5 GHz en enero era de 60 W), y la potencia máxima de los productos de ADI de 4.8-5 GHz ha aumentado a 50 W (la potencia máxima de los productos anteriores era inferior a 40 W), y la potencia de los demás productos es mayoritariamente inferior a 50 W.

▌Empresas clave y avances en la cadena de producción de dispositivos RF GaN en China continental  

Debido a la preocupación por la velocidad del desarrollo tecnológico de mi país y a la idea de frenar el desarrollo de la nueva tecnología de materiales de mi país, los países europeos y americanos han impuesto un bloqueo tecnológico y de materiales casi total a mi país en lo que respecta a los materiales semiconductores de tercera generación.

En este contexto, las instituciones de investigación científica y las empresas de mi país, basadas en la innovación independiente, han logrado resultados notables en el campo de la radiofrecuencia de microondas de nitruro de galio (GaN). Han realizado avances significativos en los ámbitos militar y de defensa, así como en el de las comunicaciones civiles, dando lugar a empresas clave como CETC 13, CETC 55, ZTE y Datang Mobile, y a importantes clientes como China Mobile y China Unicom.

Suzhou Nengxun ha lanzado transistores de potencia de RF con frecuencias de hasta 6 GHz, voltaje de funcionamiento de 48 V y potencia de diseño de 10 W a 320 W.

En el ámbito de las comunicaciones móviles, Suzhou Nengxun ya ofrece tubos amplificadores de potencia de RF de alta eficiencia y alta ganancia, adecuados para aplicaciones de comunicaciones móviles como LTE, 4G y 5G. La frecuencia de funcionamiento abarca de 1.8 a 3.8 GHz, la tensión de funcionamiento es de 48 V, la potencia de diseño oscila entre 130 W y 390 W, y la potencia media es de 16 W a 55 W.

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