Dalam laporan "Pasar RF Gallium Nitride 2021: Aplikasi, Pemain Utama, Teknologi, dan Substrat", Yole memprediksi bahwa pasar perangkat RF gallium nitrida (GaN) tumbuh dengan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan (CAGR) sebesar 18%, dari US$891 juta pada tahun 2020 menjadi lebih dari US$2.4 miliar pada tahun 2026.
Pasar akan didominasi oleh aplikasi infrastruktur pertahanan dan telekomunikasi 5G, yang masing-masing menyumbang 49% dan 41% dari total pasar pada tahun 2026. Secara khusus, segmen seluler makro/mikro berbasis GaN akan menyumbang lebih dari 95% dari pasar infrastruktur telekomunikasi GaN pada tahun 2026.  Dibandingkan dengan semikonduktor generasi pertama (berbasis silikon), semikonduktor generasi ketiga memiliki celah pita yang besar, konduktivitas listrik yang tinggi, dan konduktivitas termal yang tinggi. Mereka memiliki karakteristik medan listrik tembus kritis yang tinggi, mobilitas elektron yang tinggi, dan karakteristik frekuensi yang baik. Galium Nitrida (GaN) adalah material semikonduktor generasi ketiga yang paling representatif dan telah menjadi salah satu material pilihan untuk perangkat gelombang mikro suhu tinggi, frekuensi tinggi, dan daya tinggi. Ini adalah sistem material dengan efisiensi konversi elektro-optik dan fotolistrik teoritis tertinggi hingga saat ini. Karakteristik unggul galium nitrida:

Saat ini, dua pertiga perangkat GaN digunakan dalam elektronik militer, seperti komunikasi militer, elektronik, interferensi, radar, dan bidang lainnya; di bidang sipil, galium nitrida terutama digunakan dalam stasiun pangkalan komunikasi, perangkat daya, dan bidang lainnya.

Dalam lima tahun mendatang, perangkat elektronik berbasis material semikonduktor generasi ketiga akan banyak digunakan di stasiun pangkalan 5G, kendaraan energi baru, UHV, pusat data, dan skenario lainnya.

       

Teknologi RF GaN

Ini sangat cocok untuk 5G.

Celah pita (band gap) galium nitrida adalah 3.4 eV, sedangkan celah pita silikon, material semikonduktor yang paling umum digunakan saat ini, adalah 1.12 eV. Oleh karena itu, galium nitrida memiliki kinerja yang lebih baik daripada komponen silikon dalam komponen daya tinggi dan kecepatan tinggi.
Gallium nitrida selalu dikenal karena kemampuan pemrosesan dayanya yang tinggi. Material ini merupakan penguat pilihan untuk peralatan komunikasi nirkabel seperti stasiun pangkalan, radar, dan avionik. Gallium nitrida juga telah digunakan dalam sistem komunikasi 4G selama bertahun-tahun. Dalam sistem komunikasi seluler 5G, laju transmisi data stasiun pangkalan dan terminal telepon seluler lebih cepat daripada 4G, dan pemanfaatan spektrum teknologi modulasi lebih tinggi, yang menuntut persyaratan lebih tinggi untuk komponen dan modul front-end frekuensi radio. Selain itu, gallium nitrida kurang sensitif terhadap radiasi elektromagnetik, dan komponen gallium nitrida menunjukkan stabilitas tinggi di lingkungan radiasi. Dibandingkan dengan transistor gallium arsenida (GaAs), transistor gallium nitrida dapat beroperasi pada suhu dan tegangan yang jauh lebih tinggi, menjadikannya komponen penguat daya frekuensi gelombang mikro yang ideal. Sebagai material semikonduktor generasi ketiga, gallium nitrida telah diteliti dan diaplikasikan selama lebih dari 20 tahun, tetapi baru beberapa tahun terakhir prospek pengembangan komersialnya mulai muncul. 5G tidak diragukan lagi merupakan salah satu pendorong utama di baliknya. Bagian depan frekuensi radio (RFF) dari komunikasi 5G memiliki persyaratan ketat untuk frekuensi tinggi dan efisiensi tinggi, di sinilah galium nitrida berperan. Selain itu, permintaan akan pengisian daya yang cepat dan efisien untuk elektrifikasi otomotif dan produk elektronik portabel juga akan mendorong komponen daya galium nitrida ke pasar massal, secara bertahap menggantikan komponen daya silikon tradisional.

▲ Bagan perbandingan transistor daya RF dengan sistem material yang berbeda

▲Struktur perangkat GaNHEMT▌Daya keluaran tinggi dan efisiensi tambahan yang tinggi  

Sistem material GaN mudah membentuk sistem material heterojunction seperti AlGaN/GaN. Terdapat efek polarisasi spontan dan polarisasi piezoelektrik yang sangat kuat pada antarmuka heterojunction. Konsentrasi gas elektron dua dimensi yang diinduksi sangat tinggi dan memiliki mobilitas elektron hingga 2000 cm²/V·s. Oleh karena itu, transistor berbasis heterostruktur GaN juga disebut transistor mobilitas elektron tinggi, yaitu GaNHEMT (HighElectronMobilityTransistor). Pada saat yang sama, kekuatan medan tembus material GaN tinggi, beberapa kali lebih tinggi daripada Si dan GaAs; konduktivitas termal substrat semi-isolasi SiC yang digunakan dalam perangkat GaNHEMT lebih baik daripada tembaga logam, dan karakteristik pembuangan panasnya yang baik kondusif untuk operasi daya tinggi; GaNHEMT juga memiliki karakteristik kapasitansi parasit rendah dan tegangan tembus tinggi, yang sangat cocok untuk mewujudkan penguat daya (PA, PowerAmplifier) ​​efisiensi tinggi.

▌Lebar pulsa panjang, siklus kerja tinggi  

GaNHEMT biasanya ditumbuhkan secara epitaksial pada substrat semi-isolasi SiC dengan celah pita lebar. Pengendalian yang tepat terhadap kepadatan daya GaNHEMT dapat dengan mudah menghasilkan lebar pulsa yang panjang, siklus kerja yang tinggi, dan dapat dicapai dalam operasi gelombang kontinu daya tinggi.

▌Lebar pita frekuensi kerja, frekuensi tinggi  

Frekuensi cutoff GaNHEMT secara langsung menentukan frekuensi operasi dan bandwidth sesaat dari aplikasinya. Frekuensi cutoff meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi doping kanal, dan menurun seiring dengan peningkatan ketebalan kanal dan panjang gerbang. Karena keterbatasan energi pita terlarang material semikonduktor Si, frekuensi cutoff-nya rendah, sehingga frekuensi operasi perangkat daya semikonduktor Si hanya dapat beroperasi di bawah pita S. Perangkat GaAs memiliki mobilitas pembawa yang jauh lebih baik daripada perangkat lain dan frekuensi cutoff yang tinggi. Namun, perangkat ini dibatasi oleh kekuatan medan tembus dan memiliki tegangan operasi yang rendah, sehingga menghasilkan daya keluaran perangkat yang rendah. GaNHEMT memiliki karakteristik energi celah pita lebar, kekuatan medan tembus yang tinggi, dan kecepatan hanyut elektron saturasi yang tinggi, yang mengkompensasi kekurangan ini dan memperoleh kinerja frekuensi tinggi yang baik. GaNHEMT dapat beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi dan pada saat yang sama memiliki daya keluaran yang tinggi. Selain itu, karakteristik bawaan GaNHEMT membuat impedansi input dan outputnya lebih tinggi, dan pencocokan impedansi pita lebar dari rangkaian lebih mudah dicapai, sehingga GaNHEMT cocok untuk aplikasi pita lebar.

▲Rentang kerja frekuensi daya perangkat RF dalam sistem material yang berbeda▌Ketahanan radiasi yang kuat dan kemampuan adaptasi lingkungan yang kuat.  

GaN adalah senyawa yang sangat stabil dengan ikatan atom yang kuat, konduktivitas termal yang tinggi, derajat ionisasi tertinggi di antara senyawa III-V, dan stabilitas kimia yang baik, sehingga perangkat GaN lebih tahan terhadap radiasi daripada Si dan GaAs. Pada saat yang sama, GaN adalah material dengan titik leleh tinggi dan konduktivitas termal yang tinggi. Perangkat daya GaN biasanya menggunakan SiC dengan konduktivitas termal yang lebih baik sebagai substrat, sehingga perangkat daya GaN memiliki suhu sambungan yang lebih tinggi dan dapat bekerja di lingkungan suhu tinggi.

parameter	Si	GaAs	Gan
Lebar celah pita (eV)	1.1	1.4	3.4
Konstanta dielektrik	11.8	12.8	9.0
Kekuatan medan tembus (106V/cm)	0.6	0.7	3.5
Konduktivitas termal (W/cm.K)	1.3	0.5	1.3
Mobilitas elektron (cm2/Vs)	1450	8500	900
Kecepatan elektron jenuh (107 cm/s)	1.0	2.0	2.7

▲Sifat-sifat utama material semikonduktor utama

Perangkat RF GaN

dalam berbagai aplikasiKeuntungan kinerja

Stasiun basis komunikasi seluler adalah salah satu aplikasi utama perangkat frekuensi radio GaN. Dibandingkan dengan 4G, pita frekuensi komunikasi 5G telah bermigrasi ke pita frekuensi tinggi. Saat ini, pita frekuensi komunikasi jaringan 4G di negara kita terutama berada di 2.6 GHz. Pada tahun 2017, Kementerian Perindustrian dan Teknologi Informasi merilis rencana penggunaan frekuensi untuk sistem 5G di pita frekuensi 3-5 GHz (pita frekuensi menengah). Di masa mendatang, pita frekuensi tinggi di atas 6 GHz akan ditambahkan secara bertahap sebagai cakupan kapasitas.

Dibandingkan dengan SiLDMOS dan GaAs, perangkat RF GaN di stasiun pangkalan dapat lebih efektif memenuhi persyaratan daya tinggi, pita frekuensi komunikasi tinggi, dan efisiensi tinggi dari 5G. Meskipun SiLDMOS dapat menghasilkan daya tinggi, dalam hal frekuensi, ia hanya efektif dalam rentang spektrum tidak lebih dari 3.5 GHz. Meskipun frekuensi penguat daya GaAs dapat ditingkatkan, ia jauh lebih rendah daripada perangkat GaN dalam hal daya keluaran. Oleh karena itu, dalam hal komunikasi 5G yang memenuhi daya tinggi, frekuensi tinggi, dan bandwidth besar, penguat daya GaN adalah pilihan terbaik untuk stasiun pangkalan.

▌Aplikasi Militer – Keunggulan Gallium Nitrida dalam Sistem Radar dan Peperangan Elektronik  

Pasar terbesar untuk perangkat galium nitrida frekuensi radio saat ini berada di bidang militer dan kedirgantaraan. Sekitar lima belas tahun yang lalu, dengan pendanaan dari Departemen Pertahanan AS, para peneliti mulai berinvestasi dalam teknologi galium nitrida frekuensi radio, yang kemudian melahirkan pasar perangkat galium nitrida frekuensi radio saat ini.

Menurut statistik dari Strategy Analytics, aplikasi pertahanan dan kedirgantaraan mencakup 40% dari total ukuran pasar RF gallium nitrida, dan sistem radar serta peperangan elektronik merupakan pasar aplikasi terbesar untuk RF gallium nitrida.

Pada Maret 2017, Raytheon mengumumkan bahwa sistem pertahanan rudal Patriot mereka mengadopsi sistem antena terbaru berdasarkan teknologi galium nitrida. Patriot Missile Defense adalah sistem pertahanan rudal berbasis darat yang mampu mencegat rudal balistik, drone, dan pesawat terbang.

▲Rudal Patriot

Teknologi radar yang digunakan pada sistem Patriot lama disebut susunan pemindaian elektronik pasif (passive electronically scanned array). Sistem radar baru diubah menjadi susunan pemindaian elektronik aktif (active electronically scanned array/AESA). Susunan pemindaian elektronik aktif ini akan memberikan kemampuan radar 360 derajat pada sistem Patriot.

"Raytheon yakin bahwa peningkatan ke radar susunan pemindaian elektronik aktif berbasis teknologi galium nitrida akan memungkinkan sistem Patriot untuk mempertahankan keunggulannya terhadap senjata ofensif baru," kata Tim Glaeser, wakil presiden pengembangan bisnis untuk Raytheon Air and Missile Integrated Defense.

Radar array pemindaian elektronik aktif (Active Electronically Scanned Array Radar/AER) didasarkan pada teknologi array bertahap (phased array). Perangkat array bertahap berisi sekelompok antena yang dapat dikontrol secara individual. Dengan menggunakan teknologi beamforming, kelompok antena tersebut dapat diputar ke berbagai arah.

Perlu dicatat bahwa teknologi-teknologi ini beralih dari penggunaan militer ke penggunaan komersial. Misalnya, teknologi active electronically scanned array (ACES) dan phased array (PHA) telah digunakan dalam teknologi Wi-Fi gelombang milimeter 60 GHz, sistem radar otomotif, dan stasiun pangkalan nirkabel. Selain itu, teknologi phased array akan banyak digunakan dalam 5G.

Pada saat yang sama, penguat daya yang diproduksi dengan teknologi galium nitrida juga telah digunakan dalam radio genggam militer untuk komunikasi titik-ke-titik.

▌Aplikasi Komersial - Keunggulan Kinerja Gallium Nitrida dalam Manajemen Daya  

Galium nitrida adalah material semikonduktor celah pita lebar (WBG) yang memungkinkan komponen daya beroperasi pada tegangan, frekuensi, dan suhu yang lebih tinggi daripada material semikonduktor silikon tradisional. Dalam aplikasi manajemen daya, keunggulan galium nitrida meliputi:

• Kerugian konduksi kecil dan efisiensi energi tinggi. Resistansi on (Rds,on) transistor galium nitrida setengah dari komponen silikon tradisional, menghasilkan kerugian yang lebih kecil dan efisiensi energi yang lebih tinggi pada arus keluaran yang sama. Kerugian yang rendah juga berarti pembangkitan panas yang rendah, yang secara efektif dapat menyederhanakan desain komponen pembuangan panas dan sistem manajemen termal;

• Transistor galium nitrida tidak memiliki dioda internal dan tidak ada kerugian pemulihan balik;

• Muatan masukan transistor GaN sangat kecil dan hampir tidak ada kehilangan penggerak gerbang;

• Komponen daya galium nitrida dapat mendukung frekuensi switching yang lebih tinggi (galium nitrida: 1MHz, silikon: <100KHz), sehingga mengurangi ukuran komponen pasif;

• Kepadatan daya komponen galium nitrida sangat tinggi, yang dapat mencapai lebih dari empat kali lipat dari LDMOS berbasis silikon. Hal ini dapat meningkatkan daya keluaran sekaligus mengurangi ukuran.

  
  

     

Chen Qingyuan, manajer pemasaran senior Divisi Manajemen Daya dan Multi-elektronik Infineon untuk Tiongkok Raya, membandingkan kelebihan dan kekurangan galium nitrida dan SiC, yang keduanya merupakan material semikonduktor generasi ketiga. Keduanya memiliki kinerja peralihan yang cepat dan membantu meningkatkan efisiensi, tetapi galium nitrida memiliki kerugian yang lebih rendah daripada silikon.

Perbandingan lebih lanjut dalam skenario aplikasi menunjukkan bahwa dalam skenario aplikasi daya tinggi dan tegangan tinggi, SiC menunjukkan kematangan dan efektivitas biaya yang baik; sedangkan dalam aplikasi tegangan rendah dan menengah 100V hingga 600V, galium nitrida dapat mencapai efektivitas biaya yang lebih tinggi. Dari sudut pandang struktural, galium nitrida memiliki struktur lateral (seperti JFET), dan sulit untuk mencapai kemampuan tegangan tinggi SiCMOSFET (struktur vertikal).

Galium nitrida lebih menarik untuk sakelar yang pada dasarnya biasanya dalam keadaan mati dan merupakan teknologi penerus semua transistor silikon yang digunakan hingga saat ini. Selain itu, dari perspektif sistem secara keseluruhan, keunggulan GaN adalah kemampuannya untuk membuat topologi lebih kompak.

Seri produk CoolGaN yang dikembangkan oleh Infineon adalah transistor mobilitas elektron tinggi mode peningkatan galium nitrida (E-HEMT), yang sangat cocok untuk melakukan pengalihan frekuensi tinggi di bawah tegangan tinggi. Produk ini dapat mencapai desain yang lebih tipis dan lebih meningkatkan kepadatan daya, sehingga lebih meningkatkan efisiensi konversi dan mengurangi biaya keseluruhan sistem.

Yong Ang, direktur pemasaran strategis ON Semiconductor, menjelaskan lebih lanjut bahwa komponen galium nitrida memiliki kapasitansi parasitik yang lebih rendah daripada komponen silikon, sehingga dapat mengurangi kerugian switching yang terkait dengan muatan gerbang Qg dan meningkatkan frekuensi switching hingga kisaran ratusan kHz hingga MHz tanpa mengurangi efisiensi energi.

Berbeda dengan komponen daya silikon, galium nitrida tidak memiliki dioda bodi. Gas elektron dua dimensi (2DEG) pada permukaan batas aluminium galium nitrida (AlGaN)/galium nitrida dapat menghantarkan arus secara terbalik, tetapi tidak ada pemulihan muatan balik QRR, sehingga sangat cocok untuk aplikasi switching keras.

Karena sensitivitas galium nitrida terhadap tegangan berlebih dan kemampuan longsoran yang sangat terbatas dibandingkan dengan silikon, material ini sangat cocok untuk topologi setengah jembatan, di mana tegangan drain-source dibatasi pada tegangan rel. Galium nitrida sangat menarik dalam topologi pengalihan tegangan nol (ZVS) seperti LLC resonansi, flyback penjepit aktif, dan PFC totem pole pengalihan keras.

▲Evolusi jalur teknologi perangkat frekuensi radio arus utama di berbagai bidang aplikasi

Perangkat RF GaN Global

Gambaran persaingan rantai industri

Saat ini, pasar utama untuk perangkat frekuensi radio adalah sebagai berikut: pasar telepon seluler dan modul komunikasi, yang mencakup sekitar 80%; pasar router WIFI, yang mencakup sekitar 9%; pasar stasiun pangkalan komunikasi, yang mencakup sekitar 9%; pasar NB-IoT, yang mencakup sekitar 2%.

▌Perusahaan-perusahaan utama dan perkembangan produk dalam rantai industri perangkat frekuensi radio GaN di luar negeri.  

Peluncuran produk perangkat RF gelombang mikro GaN telah meningkat secara signifikan. Meskipun bidang frekuensi radio gelombang mikro saat ini menarik banyak perhatian, karena tingkat teknologi yang tinggi dan hambatan paten yang berlebihan, tidak banyak perusahaan di bidang ini dibandingkan dengan bidang elektronika daya dan optoelektronika, tetapi sebagian besar memiliki kekuatan penelitian ilmiah dan kemampuan operasi pasar yang kuat. Pasokan komersial perangkat RF gelombang mikro GaN tumbuh dengan cepat.

Produk Qorvo memiliki rentang frekuensi operasi terbesar, sedangkan produk Skyworks memiliki frekuensi operasi yang lebih kecil. Daya keluaran 73% produk Qorvo, CREE, dan MACOM terkonsentrasi antara 10W dan 100W, dengan daya maksimum mencapai 1500W (frekuensi operasi 1.0-1.1GHz, diproduksi oleh Qorvo). Teknologi yang digunakan terutama adalah jalur GaN/SiC GaN.

Selain itu, beberapa perusahaan menyediakan produk modul RF GaN. Saat ini, terdapat 4 perusahaan yang menjual penguat RF GaN. Di antara mereka, produk Qorvo memiliki rentang frekuensi operasi terbesar dan frekuensi operasi maksimum dapat mencapai 31 GHz. Produk Skyworks beroperasi pada frekuensi yang lebih kecil, terutama antara 0.05-1.218 GHz.

Penguat RF Qorvo tersedia dalam kategori produk terbesar. Dalam dua pita frekuensi operasi 5G (3.3-3.6 GHz dan 4.8-5 GHz) yang diumumkan oleh Kementerian Perindustrian dan Teknologi Informasi negara saya, Qorvo telah meluncurkan kategori produk penguat RF terbanyak, dengan daya tertinggi mencapai 100W dan 80W masing-masing (daya tertinggi produk 4.8-5 GHz Qorvo pada bulan Januari adalah 60W), dan daya tertinggi produk 4.8-5 GHz ADI telah meningkat menjadi 50W (daya maksimum produk sebelumnya kurang dari 40W), dan daya produk lainnya sebagian besar di bawah 50W.

▌Perusahaan-perusahaan kunci dalam rantai industri perangkat RF GaN di Tiongkok Daratan dan perkembangan produknya.  

Karena kekhawatiran tentang kecepatan perkembangan teknologi negara saya dan gagasan untuk mengekang perkembangan teknologi material baru negara saya, negara-negara Eropa dan Amerika telah memberlakukan blokade teknologi dan material yang hampir menyeluruh terhadap negara saya dalam hal material semikonduktor generasi ketiga.

Dalam situasi ini, lembaga penelitian ilmiah dan unit bisnis negara saya berlandaskan inovasi independen dan telah mencapai hasil yang luar biasa di bidang frekuensi radio gelombang mikro GaN. Mereka telah membuat terobosan di bidang militer dan pertahanan serta bidang komunikasi sipil, menciptakan perusahaan-perusahaan kunci seperti CETC 13, CETC 55, ZTE, Datang Mobile, dan pelanggan utama seperti China Mobile dan China Unicom.

Suzhou Nengxun telah meluncurkan transistor daya RF dengan frekuensi hingga 6GHz, tegangan operasi 48V, dan daya desain dari 10W-320W.

Dalam hal komunikasi seluler, Suzhou Nengxun telah mampu menyediakan tabung penguat daya RF efisiensi tinggi dan gain tinggi yang cocok untuk aplikasi komunikasi seluler seperti LTE, 4G, dan 5G. Frekuensi operasinya mencakup 1.8-3.8 GHz, tegangan operasinya 48V, daya desainnya berkisar antara 130W-390W, dan daya rata-ratanya 16W-55W.

Penafian: Artikel ini dicetak ulang dari "GaN World". Artikel ini hanya mewakili pandangan pribadi penulis dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Artikel ini hanya dicetak ulang dan dibagikan untuk mendukung perlindungan hak kekayaan intelektual. Harap sebutkan sumber dan penulis asli saat mencetak ulang. Jika ada pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya.

Nomor telepon perusahaan: +86-0755-83044319
Faks/FAX: +86-0755-83975897
Surel: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Manajer Li

QQ: 332496225 Manajer Qiu

Alamat: Ruang 809, Gedung C, Gedung Teknologi Zhantao, No. 1079 Jalan Minzhi, Distrik Baru Longhua, Shenzhen