יול צופה בדו"ח "שוק גליום ניטריד RF 2021: יישומים, שחקנים עיקריים, טכנולוגיות ומצעים" כי שוק מכשירי ה-RF של גליום ניטריד (GaN) צומח בקצב צמיחה שנתי מצטבר (CAGR) של 18%, מ-891 מיליון דולר בשנת 2020 ליותר מ-2.4 מיליארד דולר בשנת 2026.
The market will be dominated by defense and 5G telecom infrastructure applications, accounting for 49% and 41% of the total market respectively by 2026. In particular, the GaN-based macro/micro cellular segment will account for more than 95% of the GaN telecom infrastructure market in 2026.  בהשוואה למוליכים למחצה מהדור הראשון (מבוססי סיליקון), למוליכים למחצה מהדור השלישי יש פער אנרגיה גדול, מוליכות חשמלית גבוהה ומוליכות תרמית גבוהה. יש להם מאפיינים של שדה חשמלי קריטי גבוה, ניידות אלקטרונים גבוהה ומאפייני תדר טובים. גליום ניטריד (Gallium Nitride; GaN) הוא חומר המוליך למחצה המייצג ביותר מהדור השלישי והפך לאחד החומרים המועדפים עבור התקני מיקרוגל בטמפרטורה גבוהה, בתדר גבוה ובעוצמה גבוהה. זוהי מערכת החומרים בעלת יעילות ההמרה האלקטרו-אופטית והפוטואלקטרית התיאורטית הגבוהה ביותר עד כה. מאפיינים מצוינים של גליום ניטריד:

Currently, two-thirds of GaN devices are used in military electronics, such as military communications, electronics, interference, radar and other fields; in the civilian field, gallium nitride is mainly used in communication base stations, power devices and other fields.

בחמש השנים הקרובות, מכשירים אלקטרוניים המבוססים על חומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי יהיו בשימוש נרחב בתחנות בסיס 5G, כלי רכב לאנרגיה חדשה, UHV, מרכזי נתונים ותרחישים אחרים.

       

טכנולוגיית GaN RF

זוהי התאמה מושלמת ל-5G

The band gap of gallium nitride is 3.4eV, while the band gap of silicon, the most commonly used semiconductor material today, is 1.12eV. Therefore, gallium nitride has better performance than silicon components in high-power and high-speed components.
Gallium nitride has always been known for its high power processing capabilities. It is the amplifier of choice for wireless communication equipment such as base stations, radars and avionics. It has also been used in 4G communication systems for many years. In the 5G mobile communication system, the data transmission rate of base stations and mobile phone terminals is faster than that of 4G, and the spectrum utilization of modulation technology is higher, which puts forward higher requirements for radio frequency front-end components and modules. In addition, gallium nitride is less sensitive to electromagnetic radiation, and gallium nitride components show high stability in radiation environments. Compared to gallium arsenide (GaAs) transistors, gallium nitride transistors can operate at much higher temperatures and voltages, making them ideal microwave frequency power amplification components. As a third-generation semiconductor material, gallium nitride has been researched and applied for more than 20 years, but it is only in recent years that its commercial development prospects have begun to emerge. 5G is undoubtedly one of the main driving forces behind it. The radio frequency front-end of 5G communications has strict requirements for high frequency and high efficiency, which is where gallium nitride comes in. In addition, the demand for fast and efficient charging of automobile electrification and portable electronic products will also drive gallium nitride power components to the mass market, gradually replacing traditional silicon power components.

▲Comparison chart of RF power transistors with different material systems

▲מבנה המכשיר GaNHEMT▌הספק פלט גבוה ויעילות נוספת גבוהה  

מערכות חומרים GaN הן קלות ליצירת מערכות חומרים הטרוצונקטיביות כגון AlGaN/GaN. ישנן השפעות קיטוב ספונטניות וקיטוב פיזואלקטריות חזקות ביותר על ממשק ההטרוצונקציה. ריכוז גז האלקטרונים הדו-ממדי המושרה גבוה מאוד ובעל ניידות אלקטרונים של עד 2000 סמ"ק/וולט·שנייה. לכן, טרנזיסטורים המבוססים על הטרוסטרוקטורים של GaN נקראים גם טרנזיסטורים בעלי ניידות אלקטרונים גבוהה, כלומר GaNHEMT (HighElectronMobilityTransistor). יחד עם זאת, עוצמת שדה הפריצה של חומר GaN גבוהה, גבוהה פי כמה מזו של Si ו-GaAs; מוליכות תרמית של מצע מבודד למחצה SiC המשמש בהתקני GaNHEMT טובה יותר מזו של נחושת מתכתית, ומאפייני פיזור החום הטובים שלו תורמים לפעולה בהספק גבוה; ל-GaNHEMT יש גם מאפיינים של קיבול טפילי נמוך ומתח פריצה גבוה, המתאימים מאוד למימוש מגברי הספק בעלי יעילות גבוהה (PA, PowerAmplifier).

▌Long pulse width, high duty cycle  

GaNHEMT is usually epitaxially grown on a wide bandgap material SiC semi-insulating substrate. Appropriate control of the power density of GaNHEMT can easily achieve long pulse width, high duty cycle, and can be achieved in high-power continuous wave operation.

▌רוחב פס תדר עבודה, תדר גבוה  

תדר החיתוך של GaNHEMT קובע ישירות את תדר הפעולה ואת רוחב הפס המיידי של היישום שלו. הוא עולה ככל שריכוז הסימום של הערוץ עולה, ויורד ככל שעובי הערוץ ואורך השער עולים. עקב מגבלת אנרגיית הפס האסור של חומר מוליך למחצה מסיליקון, תדר החיתוך שלו נמוך, כך שתדר הפעולה של התקני כוח מוליכים למחצה מסיליקון יכול לפעול רק מתחת לפס S. להתקני GaAs יש ניידות נושאת גלים טובה בהרבה בהשוואה להתקנים אחרים ותדר חיתוך גבוה. עם זאת, הם מוגבלים על ידי עוצמת שדה פריצה ובעלי מתח פעולה נמוך, וכתוצאה מכך הספק פלט נמוך של ההתקן. ל-GaNHEMT יש מאפיינים של אנרגיית פער פס רחב, עוצמת שדה פריצה גבוהה ומהירות סחיפה גבוהה של אלקטרונים ברוויה, אשר מפצים על חסרון זה ומשיג ביצועים טובים בתדר גבוה. GaNHEMT יכול לפעול בתדרים גבוהים יותר ובו זמנית להיות בעל הספק פלט גבוה. בנוסף, המאפיינים הטבועים של GaNHEMT הופכים את עכבת הקלט והפלט שלו לגבוה יותר, והתאמת עכבת הפס הרחב של המעגל קלה יותר להשגה, מה שהופך את GaNHEMT למתאים ליישומי פס רחב.

▲טווח עבודה של תדר הספק של התקני RF במערכות חומרים שונות▌עמידות חזקה לקרינה ויכולת הסתגלות סביבתית חזקה  

GaN הוא תרכובת יציבה ביותר עם קשרים אטומיים חזקים, מוליכות תרמית גבוהה, דרגת יינון הגבוהה ביותר מבין תרכובות III-V ויציבות כימית טובה, מה שהופך את התקני GaN לעמידים יותר לקרינה מאשר Si ו-GaAs. יחד עם זאת, GaN הוא חומר בעל נקודת התכה גבוהה ומוליכות תרמית גבוהה. התקני כוח GaN משתמשים בדרך כלל ב-SiC בעל מוליכות תרמית טובה יותר כמצע, כך שהתקני כוח GaN בעלי טמפרטורת צומת גבוהה יותר ויכולים לעבוד בסביבות טמפרטורה גבוהה.

פרמטר	Si	GaAs	גן
רוחב פס-פער (eV)	1.1	1.4	3.4
קבוע דיאלקטרי	11.8	12.8	9.0
עוצמת שדה פירוק (106V/cm)	0.6	0.7	3.5
מוליכות תרמית (W/cm.K)	1.3	0.5	1.3
ניידות אלקטרונים (cm2/Vs)	1450	8500	900
מהירות אלקטרונים רוויה (107 ס"מ/שנייה)	1.0	2.0	2.7

▲מאפיינים עיקריים של חומרי מוליכים למחצה עיקריים

GaN RF devices

ביישומים שוניםיתרונות ביצועים

Mobile communication base stations are one of the main applications of GaN radio frequency devices. Compared with 4G, the communication frequency band of 5G has migrated to high-frequency bands. At present, my country's 4G network communication frequency band is mainly 2.6GHz. In 2017, the Ministry of Industry and Information Technology released a frequency usage plan for 5G systems in the 3-5GHz frequency band (mid-frequency band). In the future, high-frequency bands above 6GHz will be gradually added as capacity coverage.

בהשוואה ל-SiLDMOS ו-GaAs, התקני GaN RF בתחנת הבסיס יכולים לעמוד בצורה יעילה יותר בדרישות של 5G בהספק גבוה, תדרים גבוהים של תקשורת ויעילות גבוהה. למרות ש-SiLDMOS יכול להפיק הספק גבוה, מבחינת תדר, הוא יעיל רק בטווח ספקטרום של לא יותר מ-3.5GHz. למרות שניתן להגדיל את תדר מגברי ההספק של GaAs, הוא נחות משמעותית בהשוואה להתקני GaN מבחינת הספק פלט. לכן, מבחינת תקשורת 5G העומדת בהספק גבוה, תדר גבוה ורוחב פס גדול, מגברי הספק GaN הם הבחירה הטובה ביותר עבור תחנות בסיס.

▌יישומים צבאיים - יתרונות גליום ניטריד במערכות מכ"ם ולוחמה אלקטרונית  

The largest market for radio frequency gallium nitride devices is now in the military and aerospace fields. About fifteen years ago, with funding from the U.S. Department of Defense, researchers began to invest in radio frequency gallium nitride technology, which gave rise to the current radio frequency gallium nitride device market.

על פי נתונים סטטיסטיים של Strategy Analytics, יישומי הגנה ותעופה וחלל מהווים 40% מגודל השוק הכולל של גליום ניטריד RF, ומערכות מכ"ם ולוחמה אלקטרונית הן שווקי היישומים הגדולים ביותר עבור גליום ניטריד RF.

במרץ 2017, חברת ריית'און הודיעה כי מערכת ההגנה מפני טילים פטריוט שלה אימצה את מערכת האנטנות החדישה ביותר המבוססת על טכנולוגיית גליום ניטריד. פטריוט הגנה מפני טילים היא מערכת הגנה מפני טילים יבשתית המסוגלת ליירט טילים בליסטיים, רחפנים ומטוסים.

▲טיל פטריוט

The radar technology used in the old Patriot system was called a passive electronically scanned array. The new radar system was changed to an active electronically scanned array (AESA). The active electronically scanned array will provide the Patriot system with 360-degree radar capabilities.

"ריית'און מאמינה ששדרוג למערך מכ"ם סרוק אלקטרונית אקטיבי המבוסס על טכנולוגיית גליום ניטריד יאפשר למערכת הפטריוט לשמור על יתרונה כנגד כלי נשק התקפיים חדשים", אמר טים גלייזר, סגן נשיא לפיתוח עסקי בריית'און אוויר והגנה משולבת טילים.

מכ"ם מערך סרוק אלקטרונית אקטיבי מבוסס על טכנולוגיית מערך פאזי. התקן המערך הפאזי מכיל קבוצת אנטנות שניתן לשלוט בהן בנפרד. באמצעות טכנולוגיית עיצוב אלומה, ניתן לסובב את קבוצת האנטנות לכיוונים שונים.

It is worth noting that these technologies are moving from military to commercial use. For example, active electronically scanned array and phased array technology have been used in 60GHz millimeter wave Wi-Fi technology, automotive radar systems and wireless base stations. In addition, phased array technology will be widely used in 5G.

At the same time, power amplifiers manufactured with gallium nitride technology have also been used in military handheld radios for point-to-point communications.

▌יישומים מסחריים - יתרונות ביצועים של גליום ניטריד בניהול צריכת חשמל  

גליום ניטריד הוא חומר מוליך למחצה בעל פער אנרגיה רחב (WBG) המאפשר לרכיבי חשמל לפעול במתחים, תדרים וטמפרטורות גבוהים יותר מאשר חומרי מוליכים למחצה סיליקון מסורתיים. ביישומי ניהול צריכת חשמל, היתרונות של גליום ניטריד כוללים:

• The conduction loss is small and the energy efficiency is high. The on-resistance (Rds,on) of gallium nitride transistors is half that of traditional silicon components, resulting in smaller losses and higher energy efficiency at the same output current. Low loss also means low heat generation, which can effectively simplify the design of heat dissipation components and thermal management systems;

• אין דיודת גוף בטרנזיסטור גליום ניטריד ואין אובדן התאוששות הפוך;

• The input charge of GaN transistors is very small and there is almost no gate drive loss;

• רכיבי כוח מגליום ניטריד יכולים לתמוך בתדרי מיתוג גבוהים יותר (גליום ניטריד: 1 מגה-הרץ, סיליקון: <100 קילו-הרץ), ובכך להפחית את גודל הרכיבים הפסיביים;

• צפיפות ההספק של רכיבי גליום ניטריד גבוהה מאוד, ויכולה להגיע ליותר מפי ארבעה מזו של LDMOS מבוסס סיליקון. היא יכולה להגדיל את הספק המוצא תוך הקטנת הגודל.

  
  

     

צ'ן צ'ינגיואן, מנהל שיווק בכיר בחטיבת ניהול צריכת חשמל ואלקטרוניקה מרובת-תכליתית של אינפיניון בסין רבתי, השווה את היתרונות והחסרונות של גליום ניטריד ו-SiC, שניהם חומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי. לשניהם ביצועי מיתוג מהירים והם מסייעים בשיפור היעילות, אך לגליום ניטריד יש הפסדים נמוכים יותר מאשר לסיליקון.

השוואה נוספת בתרחישי יישומים מראה שבתרחישי יישומים של הספק גבוה ומתח גבוה, SiC מפגין בגרות וחסכון טובים; בעוד שביישומים של מתח נמוך ובינוני של 100 וולט עד 600 וולט, גליום ניטריד יכול להשיג חסכון גבוה יותר. מנקודת מבט מבנית, גליום ניטריד הוא בעל מבנה רוחבי (כגון JFET), וקשה להשיג את יכולת המתח הגבוה של SiCMOSFET (מבנה אנכי).

גליום ניטריד אטרקטיבי יותר עבור מתגים שכבר כבויים באופן טבעי ומייצג את טכנולוגיית היורש של כל טרנזיסטורי הסיליקון שהיו בשימוש עד היום. בנוסף, מנקודת מבט של המערכת הכוללת, היתרון של GaN הוא שהוא יכול להפוך את הטופולוגיה לקומפקטית יותר.

The CoolGaN series of products developed by Infineon is a gallium nitride enhancement mode high electron mobility transistor (E-HEMT), which is very suitable for performing higher frequency switching under high voltage. It can achieve a thinner design and further increase the power density, thereby further improving the conversion efficiency and reducing the cost of the entire system.

יונג אנג, מנהל השיווק האסטרטגי של ON Semiconductor, הסביר עוד כי לרכיבי גליום ניטריד יש קיבול טפילי נמוך יותר מאשר לרכיבי סיליקון, כך שהם יכולים להפחית הפסדי מיתוג הקשורים למטען השער Qg ולהגדיל את תדר המיתוג לטווח של מאות קילוהרץ עד מגה-הרץ מבלי להפחית את יעילות האנרגיה.

שלא כמו רכיבי כוח מסיליקון, גליום ניטריד אינו בעל דיודה. גז אלקטרונים דו-ממדי (2DEG) על משטח הגבול של גליום ניטריד אלומיניום (AlGaN)/גליום ניטריד יכול להוליך זרם הפוך, אך אין QRR של מטען התאוששות הפוך, מה שהופך אותו למתאים מאוד ליישומי מיתוג קשוח.

בשל רגישותו של גליום ניטריד למתח יתר ויכולתו המוגבלת מאוד של מפולת שלגים ביחס לסיליקון, הוא מתאים במיוחד לטופולוגיות חצי-גשר, שבהן מתח מקור הניקוז מחובר למתח הפס. לגליום ניטריד יש משיכה רבה בטופולוגיות מיתוג מתח אפס (ZVS) כגון LLC תהודה, flyback אקטיבי-הידוק, ו-PFC טוטם מוט עם מיתוג קשיח.

▲Evolution of mainstream radio frequency device technology routes in different application fields

Global GaN RF Devices

נוף התחרות בשרשרת התעשייה

נכון לעכשיו, השווקים העיקריים למכשירי תדר רדיו הם כדלקמן: שוק הטלפונים הניידים ומודולי התקשורת, המהווה כ-80%; שוק נתבי ה-WIFI, המהווה כ-9%; שוק תחנות בסיס לתקשורת, המהווה כ-9%; ושוק NB-IoT, המהווה כ-2%.

▌חברות מפתח והתקדמות מוצרים בשרשרת תעשיית מכשירי תדר רדיו GaN בחו"ל  

השקת מוצרי התקני RF במיקרוגל של GaN הואצה משמעותית. למרות שתחום תדרי הרדיו במיקרוגל משך תשומת לב רבה כיום, בשל הרמה הטכנית הגבוהה ומחסומי פטנטים מוגזמים, אין הרבה חברות בתחום זה בהשוואה לתחומי האלקטרוניקה האלקטרונית והאופטואלקטרוניקה, אך לרובן יש כוח מחקר מדעי חזק ויכולות תפעול שוק. ההיצע המסחרי של התקני RF במיקרוגל של GaN גדל במהירות.

Qorvo products have the largest operating frequency range, and Skyworks products have a smaller operating frequency. The output power of 73% of the products of Qorvo, CREE, and MACOM is concentrated between 10W and 100W, with the maximum power reaching 1500W (operating frequency is 1.0-1.1GHz, produced by Qorvo). The technology used is mainly the GaN/SiC GaN route.

In addition, some companies provide GaN RF module products. Currently, 4 companies provide sales of GaN RF amplifiers. Among them, Qorvo products have the largest operating frequency range and the maximum operating frequency can reach 31GHz. Skyworks products operate at smaller frequencies, mainly between 0.05-1.218GHz.

מגברי RF של Qorvo זמינים בקטגוריות המוצרים הגדולות ביותר. בתוך שני תחומי התדרים של 5G (3.3-3.6GHz ו-4.8-5GHz) שהוכרזו על ידי משרד התעשייה וטכנולוגיית המידע של ארצי, Qorvo השיקה את מספר קטגוריות המוצרים הרב ביותר של מגברי RF, כאשר ההספק הגבוה ביותר הגיע ל-100W ו-80W בהתאמה (ההספק הגבוה ביותר של מוצרי 4.8-5GHz של Qorvo בינואר היה 60W), וההספק הגבוה ביותר של מוצרי 4.8-5GHz של ADI עלה ל-50W (ההספק המרבי של מוצרים קודמים היה פחות מ-40W), וההספק של מוצרים אחרים הוא בעיקר מתחת ל-50W.

▌Mainland GaN RF device industry chain key companies and product progress  

Out of concerns about the speed of my country's technological development and the idea of ​​curbing the development of my country's new material technology, European and American countries have imposed an almost complete technology and material blockade on my country in terms of third-generation semiconductor materials.

Under this circumstance, my country's scientific research institutions and business units are based on independent innovation and have achieved remarkable results in the field of GaN microwave radio frequency. They have made breakthroughs in the military and defense fields and the civilian communications field, creating key enterprises such as CETC 13, CETC 55, ZTE, Datang Mobile, and major customers such as China Mobile and China Unicom.

סוז'ו ננגקסון השיקה טרנזיסטורי הספק RF עם תדרים של עד 6GHz, מתח פעולה של 48V והספק עיצובי של 10W-320W.

מבחינת תקשורת סלולרית, סוז'ו ננגקסון כבר יכולה לספק שפופרות מגבר RF בעלות יעילות גבוהה והגבר גבוה המתאימים ליישומי תקשורת סלולרית כגון LTE, 4G ו-5G. תדר הפעולה מכסה 1.8-3.8GHz, מתח הפעולה הוא 48V, הספק התכנון נע בין 130W ל-390W, וההספק הממוצע הוא 16W ל-55W.

הצהרת אחריות: מאמר זה הודפס מחדש מ-"GaN World". מאמר זה מייצג רק את דעותיו האישיות של המחבר ואינו מייצג את דעותיה של Sacco Micro והתעשייה. הוא מודפס מחדש ומשותף אך ורק לתמיכה בהגנה על זכויות קניין רוחני. אנא ציינו את המקור המקורי ואת המחבר בעת ההדפסה החוזרת. אם ישנה הפרה כלשהי, אנא צרו עמנו קשר כדי למחוק אותה.

מספר טלפון של החברה: 86-0755-83044319+
פקס/פקס: 86-0755-83975897+
דוא"ל: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 מנהל לי

QQ: 332496225 מנהל Qiu

כתובת: חדר 809, בניין C, בניין הטכנולוגיה ז'אנטאו, שדרת מינגז'י מס' 1079, רובע לונגהואה החדש, שנזן