Yole prévoit dans son rapport « Marché RF au nitrure de gallium 2021 : Applications, principaux acteurs, technologies et substrats » que le marché des dispositifs RF au nitrure de gallium (GaN) connaîtra une croissance annuelle composée (TCAC) de 18 %, passant de 891 millions de dollars US en 2020 à plus de 2.4 milliards de dollars US en 2026.
Le marché sera dominé par les applications de défense et d'infrastructure de télécommunications 5G, représentant respectivement 49 % et 41 % du marché total d'ici 2026. En particulier, le segment cellulaire macro/micro à base de GaN représentera plus de 95 % du marché des infrastructures de télécommunications GaN en 2026.  Comparativement aux semi-conducteurs de première génération (à base de silicium), les semi-conducteurs de troisième génération présentent une large bande interdite, une conductivité électrique et une conductivité thermique élevées. Ils se caractérisent par un champ électrique critique de claquage élevé, une mobilité électronique importante et de bonnes performances en fréquence. Le nitrure de gallium (GaN) est le matériau semi-conducteur de troisième génération le plus représentatif et est devenu un matériau de choix pour les dispositifs micro-ondes haute température, haute fréquence et haute puissance. Il s'agit du système de matériaux présentant à ce jour le rendement théorique de conversion électro-optique et photoélectrique le plus élevé. Caractéristiques remarquables du nitrure de gallium :

Actuellement, les deux tiers des dispositifs GaN sont utilisés dans l'électronique militaire, notamment dans les communications militaires, l'électronique, les interférences, les radars et d'autres domaines ; dans le domaine civil, le nitrure de gallium est principalement utilisé dans les stations de base de communication, les dispositifs d'alimentation et d'autres domaines.

Au cours des cinq prochaines années, les dispositifs électroniques basés sur des matériaux semi-conducteurs de troisième génération seront largement utilisés dans les stations de base 5G, les véhicules à énergies nouvelles, les systèmes UHV, les centres de données et d'autres applications.

       

Technologie RF GaN

C'est parfaitement adapté à la 5G

La bande interdite du nitrure de gallium est de 3.4 eV, tandis que celle du silicium, le matériau semi-conducteur le plus couramment utilisé aujourd'hui, est de 1.12 eV. Par conséquent, le nitrure de gallium offre de meilleures performances que les composants en silicium dans les applications haute puissance et haute vitesse.
Le nitrure de gallium est reconnu depuis toujours pour ses capacités de traitement de puissance élevées. C'est l'amplificateur de prédilection pour les équipements de communication sans fil tels que les stations de base, les radars et l'avionique. Il est également utilisé depuis de nombreuses années dans les systèmes de communication 4G. Dans le système de communication mobile 5G, le débit de transmission de données des stations de base et des terminaux de téléphonie mobile est supérieur à celui de la 4G, et l'utilisation du spectre par la technologie de modulation est plus importante, ce qui impose des exigences plus élevées aux composants et modules frontaux radiofréquences. De plus, le nitrure de gallium est moins sensible aux rayonnements électromagnétiques, et les composants en nitrure de gallium présentent une grande stabilité en environnement radiatif. Comparés aux transistors à l'arséniure de gallium (GaAs), les transistors au nitrure de gallium peuvent fonctionner à des températures et des tensions beaucoup plus élevées, ce qui en fait des composants idéaux pour l'amplification de puissance en micro-ondes. Matériau semi-conducteur de troisième génération, le nitrure de gallium est étudié et appliqué depuis plus de 20 ans, mais ce n'est que récemment que ses perspectives de développement commercial ont commencé à se dessiner. La 5G est sans aucun doute l'un des principaux moteurs de ce développement. L'étage d'entrée radiofréquence des communications 5G impose des exigences strictes en matière de haute fréquence et de rendement, domaine où le nitrure de gallium entre en jeu. Par ailleurs, la demande croissante de solutions de recharge rapide et efficace pour l'électrification automobile et les appareils électroniques portables favorisera également la démocratisation des composants de puissance en nitrure de gallium, qui remplaceront progressivement les composants de puissance traditionnels en silicium.

▲Tableau comparatif des transistors de puissance RF avec différents systèmes de matériaux

▲Structure du dispositif GaNHEMT▌Puissance de sortie élevée et rendement additionnel élevé  

Les systèmes de matériaux GaN permettent de former facilement des hétérojonctions telles que AlGaN/GaN. L'interface de l'hétérojonction présente des effets de polarisation spontanée et piézoélectrique extrêmement importants. La concentration du gaz d'électrons bidimensionnel induit est très élevée et la mobilité électronique atteint 2000 cm²/V·s. Par conséquent, les transistors basés sur des hétérostructures GaN sont également appelés transistors à haute mobilité électronique, ou GaNHEMT (High Electron Mobility Transistor). De plus, la rigidité diélectrique du GaN est élevée, plusieurs fois supérieure à celle du Si et du GaAs ; la conductivité thermique du substrat semi-isolant SiC utilisé dans les dispositifs GaNHEMT est meilleure que celle du cuivre métallique, et ses bonnes propriétés de dissipation thermique favorisent un fonctionnement à haute puissance ; enfin, le GaNHEMT présente une faible capacité parasite et une tension de claquage élevée, ce qui le rend particulièrement adapté à la réalisation d'amplificateurs de puissance (PA) à haut rendement.

▌Impulsion longue, rapport cyclique élevé  

Le GaNHEMT est généralement cultivé par épitaxie sur un substrat semi-isolant en SiC, un matériau à large bande interdite. Un contrôle précis de la densité de puissance du GaNHEMT permet d'obtenir facilement des impulsions de grande largeur, un rapport cyclique élevé et un fonctionnement en régime continu haute puissance.

▌Bande passante de fréquence de fonctionnement, haute fréquence  

La fréquence de coupure d'un transistor GaNHEMT détermine directement sa fréquence de fonctionnement et sa bande passante instantanée. Elle augmente avec la concentration de dopage du canal et diminue avec l'épaisseur du canal et la longueur de la grille. Du fait de la limitation de l'énergie de la bande interdite du silicium, sa fréquence de coupure est basse, ce qui restreint le fonctionnement des dispositifs de puissance à semi-conducteurs en silicium à des fréquences inférieures à la bande S. Les dispositifs en GaAs présentent une mobilité des porteurs bien supérieure et une fréquence de coupure élevée. Cependant, leur rigidité diélectrique et leur faible tension de fonctionnement limitent leur puissance de sortie. Le GaNHEMT, grâce à sa large bande interdite, sa rigidité diélectrique élevée et sa vitesse de dérive électronique à saturation élevée, compense ces limitations et offre d'excellentes performances à haute fréquence. Il peut ainsi fonctionner à des fréquences plus élevées tout en conservant une puissance de sortie élevée. De plus, ses caractéristiques intrinsèques lui confèrent une impédance d'entrée et de sortie plus élevée, facilitant l'adaptation d'impédance à large bande du circuit et le rendant adapté aux applications à large bande.

▲Plage de fréquences de fonctionnement des dispositifs RF dans différents systèmes de matériaux▌Forte résistance aux radiations et grande adaptabilité environnementale  

Le GaN est un composé extrêmement stable, doté de liaisons atomiques fortes, d'une conductivité thermique élevée, du degré d'ionisation le plus élevé parmi les composés III-V et d'une bonne stabilité chimique, ce qui confère aux dispositifs en GaN une meilleure résistance aux radiations que le Si et le GaAs. Par ailleurs, le GaN est un matériau à point de fusion élevé et à conductivité thermique importante. Les dispositifs de puissance en GaN utilisent généralement du SiC, matériau à conductivité thermique supérieure, comme substrat. De ce fait, ces dispositifs présentent une température de jonction plus élevée et peuvent fonctionner dans des environnements à haute température.

paramètre	Si	GaAs	GaN
Largeur de bande interdite (eV)	1.1	1.4	3.4
Constante diélectrique	11.8	12.8	9.0
Intensité du champ de claquage (106V/cm)	0.6	0.7	3.5
Conductivité thermique (W/cm.K)	1.3	0.5	1.3
Mobilité électronique (cm2/Vs)	1450	8500	900
Vitesse des électrons à saturation (107 cm/s)	1.0	2.0	2.7

▲Propriétés clés des principaux matériaux semi-conducteurs

Dispositifs RF GaN

dans diverses applicationsAvantages de performance

Les stations de base de communication mobile constituent l'une des principales applications des dispositifs radiofréquences GaN. Contrairement à la 4G, la bande de fréquences de communication de la 5G a migré vers les hautes fréquences. Actuellement, la bande de fréquences de communication du réseau 4G en Chine est principalement de 2.6 GHz. En 2017, le ministère de l'Industrie et des Technologies de l'information a publié un plan d'utilisation des fréquences pour les systèmes 5G dans la bande de 3 à 5 GHz (bande de fréquences moyennes). À l'avenir, les bandes de fréquences supérieures à 6 GHz seront progressivement ajoutées afin d'accroître la couverture.

Comparativement aux dispositifs SiLDMOS et GaAs, les composants RF GaN des stations de base répondent plus efficacement aux exigences de puissance élevée, de large bande passante et de rendement élevé de la 5G. Bien que les SiLDMOS puissent fournir une puissance élevée, leur efficacité est limitée à une bande passante maximale de 3.5 GHz. Quant aux amplificateurs de puissance GaAs, même si leur fréquence peut être augmentée, leur puissance de sortie reste nettement inférieure à celle des dispositifs GaN. Par conséquent, pour les communications 5G qui requièrent puissance élevée, fréquence élevée et large bande passante, les amplificateurs de puissance GaN constituent le meilleur choix pour les stations de base.

▌Applications militaires – Avantages du nitrure de gallium dans les systèmes radar et de guerre électronique  

Le principal marché des dispositifs en nitrure de gallium à radiofréquence se trouve aujourd'hui dans les secteurs militaire et aérospatial. Il y a une quinzaine d'années, grâce à un financement du département américain de la Défense, des chercheurs ont commencé à investir dans la technologie du nitrure de gallium à radiofréquence, donnant ainsi naissance au marché actuel de ces dispositifs.

Selon les statistiques de Strategy Analytics, les applications de défense et aérospatiales représentent 40 % de la taille totale du marché du nitrure de gallium RF, et les systèmes radar et de guerre électronique constituent les principaux marchés d'application du nitrure de gallium RF.

En mars 2017, Raytheon a annoncé que son système de défense antimissile Patriot était désormais équipé d'une antenne de dernière génération basée sur la technologie du nitrure de gallium. Le système Patriot est un système de défense antimissile terrestre capable d'intercepter des missiles balistiques, des drones et des aéronefs.

▲Missile Patriot

La technologie radar utilisée dans l'ancien système Patriot était une antenne passive à balayage électronique. Le nouveau système radar utilise une antenne active à balayage électronique (AESA). Cette dernière confère au système Patriot une couverture radar à 360 degrés.

« Raytheon estime que la mise à niveau vers un radar à balayage électronique actif basé sur la technologie du nitrure de gallium permettra au système Patriot de conserver son avantage face aux nouvelles armes offensives », a déclaré Tim Glaeser, vice-président du développement commercial de Raytheon Air and Missile Integrated Defense.

Le radar à balayage électronique actif (AESA) repose sur la technologie des antennes à commande de phase. Ce dispositif comprend un ensemble d'antennes contrôlables individuellement. Grâce à la formation de faisceaux, ces antennes peuvent être orientées dans différentes directions.

Il convient de noter que ces technologies passent d'une application militaire à une application commerciale. Par exemple, les antennes à balayage électronique actif (AESA) et les antennes à commande de phase (PACA) sont utilisées dans le Wi-Fi à ondes millimétriques de 60 GHz, les systèmes radar automobiles et les stations de base sans fil. De plus, la technologie PACA sera largement utilisée dans la 5G.

Dans le même temps, des amplificateurs de puissance fabriqués avec la technologie du nitrure de gallium ont également été utilisés dans les radios portables militaires pour les communications point à point.

▌Applications commerciales - Avantages du nitrure de gallium en matière de gestion de l'énergie  

Le nitrure de gallium est un matériau semi-conducteur à large bande interdite (WBG) qui permet aux composants de puissance de fonctionner à des tensions, des fréquences et des températures plus élevées que les matériaux semi-conducteurs en silicium traditionnels. Dans les applications de gestion de l'énergie, les avantages du nitrure de gallium sont les suivants :

• Les pertes par conduction sont faibles et le rendement énergétique élevé. La résistance à l'état passant (Rds,on) des transistors au nitrure de gallium est deux fois moins élevée que celle des composants en silicium traditionnels, ce qui réduit les pertes et améliore le rendement énergétique à courant de sortie égal. Ces faibles pertes impliquent également une faible génération de chaleur, simplifiant ainsi la conception des composants de dissipation thermique et des systèmes de gestion thermique.

• Le transistor au nitrure de gallium ne comporte pas de diode de corps et ne présente aucune perte par récupération inverse ;

• La charge d'entrée des transistors GaN est très faible et les pertes de commande de grille sont quasi inexistantes ;

• Les composants de puissance en nitrure de gallium peuvent supporter des fréquences de commutation plus élevées (nitrure de gallium : 1 MHz, silicium : < 100 kHz), réduisant ainsi la taille des composants passifs ;

• La densité de puissance des composants en nitrure de gallium est très élevée, pouvant atteindre plus de quatre fois celle des LDMOS à base de silicium. Elle permet d'augmenter la puissance de sortie tout en réduisant la taille.

  
  

     

Chen Qingyuan, responsable marketing senior de la division Gestion de l'énergie et multiélectronique d'Infineon pour la Grande Chine, a comparé les avantages et les inconvénients du nitrure de gallium et du SiC, deux matériaux semi-conducteurs de troisième génération. Tous deux offrent des performances de commutation rapides et contribuent à améliorer l'efficacité, mais le nitrure de gallium présente des pertes inférieures à celles du silicium.

Une comparaison plus poussée des scénarios d'application montre que, pour les applications haute puissance et haute tension, le SiC présente une bonne maturité et un bon rapport coût-efficacité ; tandis que pour les applications basse et moyenne tension (100 V à 600 V), le nitrure de gallium offre un meilleur rapport coût-efficacité. D'un point de vue structurel, le nitrure de gallium est une structure latérale (comme un JFET) et il est difficile d'atteindre la capacité de haute tension du SiCMOSFET (structure verticale).

Le nitrure de gallium est plus intéressant pour les commutateurs normalement bloqués et représente la technologie qui succède à tous les transistors au silicium utilisés jusqu'à présent. De plus, d'un point de vue système global, le GaN présente l'avantage de permettre une topologie plus compacte.

La gamme de produits CoolGaN développée par Infineon est un transistor à haute mobilité électronique (E-HEMT) à base de nitrure de gallium, particulièrement adapté aux commutations à haute fréquence sous haute tension. Elle permet une conception plus fine et une densité de puissance accrue, améliorant ainsi le rendement de conversion et réduisant le coût global du système.

Yong Ang, directeur du marketing stratégique chez ON Semiconductor, a expliqué en outre que les composants en nitrure de gallium ont une capacité parasite inférieure à celle des composants en silicium, ce qui permet de réduire les pertes de commutation liées à la charge de grille Qg et d'augmenter la fréquence de commutation à une gamme de centaines de kHz à MHz sans réduire l'efficacité énergétique.

Contrairement aux composants de puissance en silicium, le nitrure de gallium ne possède pas de diode de corps. Le gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) présent à l'interface AlGaN/nitrure de gallium peut conduire le courant en sens inverse, mais sans résistance à la récupération de charge inverse (QRR), ce qui le rend particulièrement adapté aux applications de commutation dure.

En raison de sa sensibilité aux surtensions et de sa capacité d'avalanche très limitée par rapport au silicium, le nitrure de gallium est particulièrement adapté aux topologies en demi-pont, où la tension drain-source est limitée à la tension d'alimentation. Le nitrure de gallium présente un grand intérêt pour les topologies à commutation à tension nulle (ZVS) telles que les convertisseurs LLC résonants, les convertisseurs flyback à limitation active et les convertisseurs PFC totem-pole à commutation dure.

▲Évolution des principales technologies des dispositifs radiofréquences dans différents domaines d'application

Dispositifs RF GaN mondiaux

paysage concurrentiel de la chaîne industrielle

À l'heure actuelle, les principaux marchés des dispositifs à radiofréquence sont les suivants : le marché des téléphones mobiles et des modules de communication, qui représente environ 80 % ; le marché des routeurs Wi-Fi, qui représente environ 9 % ; le marché des stations de base de communication, qui représente environ 9 % ; et le marché du NB-IoT, qui représente environ 2 %.

▌Entreprises clés et progrès des produits dans la chaîne de valeur internationale des dispositifs radiofréquences GaN  

Le lancement de dispositifs RF micro-ondes à base de GaN s'est considérablement accéléré. Bien que le domaine des radiofréquences micro-ondes suscite actuellement un vif intérêt, le nombre d'entreprises y est moins important qu'en électronique de puissance ou en optoélectronique, en raison de son niveau technique élevé et des barrières importantes qu'il impose. Cependant, la plupart d'entre elles disposent d'une solide expertise en recherche scientifique et d'une capacité commerciale avérée. L'offre commerciale de dispositifs RF micro-ondes à base de GaN est en forte croissance.

Les produits Qorvo offrent la plus large plage de fréquences de fonctionnement, tandis que ceux de Skyworks présentent une plage plus restreinte. La puissance de sortie de 73 % des produits Qorvo, CREE et MACOM se situe entre 10 W et 100 W, la puissance maximale atteignant 1 500 W (fréquence de fonctionnement de 1.0 à 1.1 GHz, pour les produits Qorvo). La technologie principalement utilisée est la structure GaN/SiC.

De plus, certaines entreprises proposent des modules RF GaN. Actuellement, quatre entreprises commercialisent des amplificateurs RF GaN. Parmi elles, les produits Qorvo offrent la plus large plage de fréquences de fonctionnement, avec une fréquence maximale pouvant atteindre 31 GHz. Les produits Skyworks fonctionnent à des fréquences plus basses, principalement entre 0.05 et 1.218 GHz.

Les amplificateurs RF de Qorvo sont disponibles dans la plus large gamme de produits. Parmi les deux bandes de fréquences 5G (3.3-3.6 GHz et 4.8-5 GHz) annoncées par le ministère de l'Industrie et des Technologies de l'information de mon pays, Qorvo propose le plus grand nombre d'amplificateurs RF, avec des puissances maximales atteignant respectivement 100 W et 80 W (la puissance maximale des produits Qorvo 4.8-5 GHz en janvier était de 60 W). La puissance maximale des produits ADI 4.8-5 GHz a quant à elle atteint 50 W (contre moins de 40 W pour les produits précédents), tandis que la puissance des autres produits est généralement inférieure à 50 W.

▌Chaîne de production et évolution des produits clés de la chaîne industrielle des dispositifs RF GaN en Chine continentale  

Inquiets du rythme de développement technologique de mon pays et dans le but de freiner le développement de ses nouvelles technologies de matériaux, les pays européens et américains ont imposé à mon pays un blocus technologique et matériel quasi total en ce qui concerne les matériaux semi-conducteurs de troisième génération.

Dans ce contexte, les institutions de recherche scientifique et les entreprises de mon pays, s'appuyant sur l'innovation indépendante, ont obtenu des résultats remarquables dans le domaine des radiofréquences micro-ondes GaN. Elles ont réalisé des avancées majeures dans les secteurs militaire et de la défense, ainsi que dans celui des communications civiles, donnant naissance à des entreprises clés telles que CETC 13, CETC 55, ZTE et Datang Mobile, et comptant parmi leurs clients des acteurs majeurs comme China Mobile et China Unicom.

Suzhou Nengxun a lancé des transistors de puissance RF avec des fréquences allant jusqu'à 6 GHz, une tension de fonctionnement de 48 V et une puissance nominale de 10 W à 320 W.

En matière de communications mobiles, Suzhou Nengxun propose déjà des tubes amplificateurs de puissance RF à haut rendement et à gain élevé, adaptés aux applications de communications mobiles telles que LTE, 4G et 5G. Leur fréquence de fonctionnement s'étend de 1.8 à 3.8 GHz, leur tension de fonctionnement est de 48 V, leur puissance nominale varie de 130 W à 390 W et leur puissance moyenne de 16 W à 55 W.

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