Nel rapporto "Gallium Nitride RF Market 2021: Applications, Major Players, Technologies and Substrates", Yole prevede che il mercato dei dispositivi RF al nitruro di gallio (GaN) crescerà a un tasso di crescita annuo composto (CAGR) del 18%, passando da 891 milioni di dollari nel 2020 a oltre 2.4 miliardi di dollari nel 2026.
Entro il 2026, il mercato sarà dominato dalle applicazioni per la difesa e le infrastrutture di telecomunicazione 5G, che rappresenteranno rispettivamente il 49% e il 41% del mercato totale. In particolare, il segmento macro/microcellulare basato su GaN costituirà oltre il 95% del mercato delle infrastrutture di telecomunicazione GaN nel 2026.  Rispetto ai semiconduttori di prima generazione (a base di silicio), i semiconduttori di terza generazione presentano un ampio band gap, un'elevata conduttività elettrica e un'elevata conduttività termica. Sono caratterizzati da un elevato campo elettrico critico di rottura, un'elevata mobilità degli elettroni e buone caratteristiche di frequenza. Il nitruro di gallio (GaN) è il materiale semiconduttore di terza generazione più rappresentativo ed è diventato uno dei materiali preferiti per dispositivi a microonde ad alta temperatura, alta frequenza e alta potenza. È il sistema di materiali con la più alta efficienza teorica di conversione elettro-ottica e fotoelettrica finora raggiunta. Caratteristiche eccellenti del nitruro di gallio:

Attualmente, due terzi dei dispositivi GaN sono utilizzati nell'elettronica militare, ad esempio nelle comunicazioni militari, nell'elettronica, nella protezione dalle interferenze, nei radar e in altri settori; in ambito civile, il nitruro di gallio è utilizzato principalmente nelle stazioni base di comunicazione, nei dispositivi di alimentazione e in altri settori.

Nei prossimi cinque anni, i dispositivi elettronici basati su materiali semiconduttori di terza generazione saranno ampiamente utilizzati nelle stazioni base 5G, nei veicoli a energia alternativa, nell'ultra alto vuoto (UHV), nei data center e in altri scenari.

       

Tecnologia RF GaN

È la soluzione ideale per il 5G.

Il band gap del nitruro di gallio è di 3.4 eV, mentre quello del silicio, il materiale semiconduttore più comunemente utilizzato oggi, è di 1.12 eV. Pertanto, il nitruro di gallio offre prestazioni migliori rispetto ai componenti al silicio nei dispositivi ad alta potenza e ad alta velocità.
Il nitruro di gallio è da sempre noto per le sue elevate capacità di elaborazione della potenza. È il materiale di elezione per gli amplificatori di apparecchiature di comunicazione wireless come stazioni base, radar e avionica. È stato inoltre utilizzato per molti anni nei sistemi di comunicazione 4G. Nel sistema di comunicazione mobile 5G, la velocità di trasmissione dati delle stazioni base e dei terminali di telefonia mobile è superiore a quella del 4G e l'utilizzo dello spettro della tecnologia di modulazione è maggiore, il che impone requisiti più elevati per i componenti e i moduli front-end a radiofrequenza. Inoltre, il nitruro di gallio è meno sensibile alle radiazioni elettromagnetiche e i componenti in nitruro di gallio mostrano un'elevata stabilità in ambienti con radiazioni. Rispetto ai transistor in arseniuro di gallio (GaAs), i transistor in nitruro di gallio possono operare a temperature e tensioni molto più elevate, il che li rende componenti ideali per l'amplificazione di potenza a microonde. Come materiale semiconduttore di terza generazione, il nitruro di gallio è stato oggetto di ricerca e applicazione per oltre 20 anni, ma solo negli ultimi anni hanno iniziato a emergere le sue prospettive di sviluppo commerciale. Il 5G è senza dubbio una delle principali forze trainanti di questo sviluppo. Il front-end a radiofrequenza delle comunicazioni 5G ha requisiti stringenti in termini di alta frequenza ed elevata efficienza, ed è qui che entra in gioco il nitruro di gallio. Inoltre, la domanda di ricarica rapida ed efficiente per i veicoli elettrici e i dispositivi elettronici portatili spingerà i componenti di potenza in nitruro di gallio verso il mercato di massa, sostituendo gradualmente i tradizionali componenti di potenza al silicio.

▲Tabella comparativa dei transistor di potenza RF con diversi sistemi di materiali

▲Struttura del dispositivo GaNHEMT▌Elevata potenza di uscita ed elevata efficienza aggiuntiva  

I sistemi di materiali GaN sono facili da utilizzare per la formazione di eterogiunzioni, come ad esempio AlGaN/GaN. All'interfaccia dell'eterogiunzione si verificano effetti di polarizzazione spontanea e piezoelettrica estremamente forti. La concentrazione di gas di elettroni bidimensionale indotta è molto elevata e la mobilità degli elettroni raggiunge i 2000 cm²/V·s. Pertanto, i transistor basati su eterostrutture GaN sono anche chiamati transistor ad alta mobilità elettronica, ovvero GaNHEMT (HighElectronMobilityTransistor). Allo stesso tempo, la rigidità dielettrica del materiale GaN è elevata, diverse volte superiore a quella del Si e del GaAs; la conduttività termica del substrato semi-isolante SiC utilizzato nei dispositivi GaNHEMT è migliore di quella del rame metallico e le sue buone caratteristiche di dissipazione del calore favoriscono il funzionamento ad alta potenza; il GaNHEMT presenta inoltre una bassa capacità parassita e un'elevata tensione di rottura, caratteristiche che lo rendono particolarmente adatto alla realizzazione di amplificatori di potenza (PA, PowerAmplifier) ​​ad alta efficienza.

▌Impulso di lunga durata, ciclo di lavoro elevato  

I GaNHEMT vengono solitamente cresciuti epitaxialmente su un substrato semi-isolante di SiC, un materiale a banda proibita ampia. Un controllo appropriato della densità di potenza dei GaNHEMT consente di ottenere facilmente impulsi di lunga durata, un elevato duty cycle e di operare in modalità continua ad alta potenza.

▌Larghezza di banda della frequenza di lavoro, alta frequenza  

La frequenza di taglio del GaNHEMT determina direttamente la frequenza operativa e la larghezza di banda istantanea della sua applicazione. Essa aumenta con l'aumentare della concentrazione di drogaggio del canale e diminuisce con l'aumentare dello spessore del canale e della lunghezza del gate. A causa della limitazione dell'energia della banda proibita del materiale semiconduttore Si, la sua frequenza di taglio è bassa, quindi la frequenza operativa dei dispositivi di potenza a semiconduttore Si può operare solo al di sotto della banda S. I dispositivi GaAs hanno una mobilità dei portatori molto migliore rispetto ad altri dispositivi e un'elevata frequenza di taglio. Tuttavia, sono limitati dalla rigidità dielettrica e hanno una bassa tensione operativa, con conseguente bassa potenza di uscita del dispositivo. Il GaNHEMT possiede le caratteristiche di un'ampia energia di bandgap, un'elevata rigidità dielettrica e un'elevata velocità di deriva degli elettroni di saturazione, che compensano questa carenza e consentono di ottenere buone prestazioni ad alta frequenza. Il GaNHEMT può operare a frequenze più elevate e allo stesso tempo avere un'elevata potenza di uscita. Inoltre, le caratteristiche intrinseche del GaNHEMT rendono la sua impedenza di ingresso e di uscita più elevata, e l'adattamento di impedenza a banda larga del circuito è più facile da ottenere, rendendo il GaNHEMT adatto per applicazioni a banda larga.

▲Intervallo di frequenza di rete dei dispositivi RF in diversi sistemi di materiali▌Elevata resistenza alle radiazioni e grande adattabilità ambientale.  

Il nitruro di gallio (GaN) è un composto estremamente stabile con forti legami atomici, elevata conduttività termica, il più alto grado di ionizzazione tra i composti III-V e una buona stabilità chimica, il che rende i dispositivi GaN più resistenti alle radiazioni rispetto a Si e GaAs. Allo stesso tempo, il GaN è un materiale con un alto punto di fusione e un'elevata conduttività termica. I dispositivi di potenza GaN utilizzano solitamente il carburo di silicio (SiC), che ha una migliore conduttività termica, come substrato; pertanto, i dispositivi di potenza GaN hanno una temperatura di giunzione più elevata e possono funzionare in ambienti ad alta temperatura.

parametro	Si	GaAs	GaN
Larghezza del band gap (eV)	1.1	1.4	3.4
Costante dielettrica	11.8	12.8	9.0
Tensione di rottura (106⁶ V/cm)	0.6	0.7	3.5
Conduttività termica (W/cmK)	1.3	0.5	1.3
Mobilità degli elettroni (cm²/Vs)	1450	8500	900
Velocità di saturazione degli elettroni (107 cm/s)	1.0	2.0	2.7

▲Principali proprietà dei principali materiali semiconduttori

Dispositivi RF GaN

in varie applicazioniVantaggi di prestazione

Le stazioni base per le comunicazioni mobili rappresentano una delle principali applicazioni dei dispositivi a radiofrequenza GaN. Rispetto al 4G, la banda di frequenza di comunicazione del 5G si è spostata verso le bande ad alta frequenza. Attualmente, la banda di frequenza di comunicazione della rete 4G del mio Paese è principalmente a 2.6 GHz. Nel 2017, il Ministero dell'Industria e dell'Informatica ha pubblicato un piano di utilizzo delle frequenze per i sistemi 5G nella banda di frequenza 3-5 GHz (banda di media frequenza). In futuro, le bande ad alta frequenza superiori a 6 GHz verranno gradualmente aggiunte per ampliare la copertura.

Rispetto ai dispositivi SiLDMOS e GaAs, i dispositivi RF GaN nelle stazioni base possono soddisfare in modo più efficace i requisiti di alta potenza, ampia banda di frequenza e alta efficienza del 5G. Sebbene il SiLDMOS possa erogare un'elevata potenza, in termini di frequenza è efficace solo entro un intervallo spettrale non superiore a 3.5 GHz. Sebbene la frequenza degli amplificatori di potenza GaAs possa essere aumentata, la loro potenza di uscita è significativamente inferiore a quella dei dispositivi GaN. Pertanto, per le comunicazioni 5G che richiedono alta potenza, alta frequenza e ampia larghezza di banda, gli amplificatori di potenza GaN rappresentano la scelta migliore per le stazioni base.

▌Applicazioni militari: vantaggi del nitruro di gallio nei sistemi radar e di guerra elettronica.  

Il mercato più importante per i dispositivi a radiofrequenza al nitruro di gallio è attualmente quello militare e aerospaziale. Circa quindici anni fa, grazie ai finanziamenti del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, i ricercatori hanno iniziato a investire nella tecnologia del nitruro di gallio a radiofrequenza, dando origine all'attuale mercato dei dispositivi a radiofrequenza al nitruro di gallio.

Secondo le statistiche di Strategy Analytics, le applicazioni nel settore della difesa e aerospaziale rappresentano il 40% del mercato totale del nitruro di gallio RF, e i sistemi radar e di guerra elettronica costituiscono i principali mercati di applicazione per questo materiale.

Nel marzo 2017, Raytheon ha annunciato che il suo sistema di difesa missilistica Patriot ha adottato il più recente sistema di antenne basato sulla tecnologia al nitruro di gallio. Il sistema di difesa missilistica Patriot è un sistema terrestre in grado di intercettare missili balistici, droni e aerei.

▲Missile Patriot

La tecnologia radar utilizzata nel vecchio sistema Patriot era denominata array a scansione elettronica passiva. Il nuovo sistema radar è stato modificato con un array a scansione elettronica attiva (AESA). L'array a scansione elettronica attiva fornirà al sistema Patriot capacità radar a 360 gradi.

"Raytheon ritiene che l'aggiornamento a un radar ad array a scansione elettronica attiva basato sulla tecnologia al nitruro di gallio consentirà al sistema Patriot di mantenere il suo vantaggio contro le nuove armi offensive", ha affermato Tim Glaeser, vicepresidente dello sviluppo commerciale per Raytheon Air and Missile Integrated Defense.

Il radar ad array a scansione elettronica attiva (AESA) si basa sulla tecnologia phased array. Il dispositivo phased array contiene un gruppo di antenne che possono essere controllate individualmente. Utilizzando la tecnologia beamforming, il gruppo di antenne può essere orientato in diverse direzioni.

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.

Allo stesso tempo, gli amplificatori di potenza realizzati con tecnologia al nitruro di gallio sono stati utilizzati anche nelle radio portatili militari per le comunicazioni punto-punto.

▌Applicazioni commerciali - Vantaggi prestazionali del nitruro di gallio nella gestione dell'energia  

Il nitruro di gallio è un materiale semiconduttore a banda proibita ampia (WBG) che consente ai componenti di potenza di operare a tensioni, frequenze e temperature più elevate rispetto ai tradizionali materiali semiconduttori al silicio. Nelle applicazioni di gestione dell'energia, i vantaggi del nitruro di gallio includono:

• Le perdite per conduzione sono ridotte e l'efficienza energetica è elevata. La resistenza di conduzione (Rds,on) dei transistor al nitruro di gallio è la metà di quella dei componenti tradizionali al silicio, con conseguenti perdite inferiori e maggiore efficienza energetica a parità di corrente di uscita. Le basse perdite implicano anche una bassa generazione di calore, il che può semplificare notevolmente la progettazione dei componenti di dissipazione del calore e dei sistemi di gestione termica.

• Nel transistor al nitruro di gallio non è presente alcun diodo intrinseco e non vi è alcuna perdita di recupero inverso;

• La carica di ingresso dei transistor GaN è molto piccola e non vi è praticamente alcuna perdita di pilotaggio del gate;

• I componenti di potenza in nitruro di gallio possono supportare frequenze di commutazione più elevate (nitruro di gallio: 1 MHz, silicio: <100 kHz), riducendo così le dimensioni dei componenti passivi;

• La densità di potenza dei componenti in nitruro di gallio è molto elevata, potendo raggiungere oltre quattro volte quella dei LDMOS a base di silicio. Ciò consente di aumentare la potenza di uscita riducendone al contempo le dimensioni.

  
  

     

Chen Qingyuan, responsabile marketing senior della divisione Power Management e Multielettronica di Infineon per la Grande Cina, ha confrontato i vantaggi e gli svantaggi del nitruro di gallio e del SiC, entrambi materiali semiconduttori di terza generazione. Entrambi offrono prestazioni di commutazione rapide e contribuiscono a migliorare l'efficienza, ma il nitruro di gallio presenta perdite inferiori rispetto al silicio.

Un ulteriore confronto in diversi scenari applicativi mostra che, negli scenari ad alta potenza e alta tensione, il SiC presenta un buon livello di maturità e un buon rapporto costo-efficacia; mentre nelle applicazioni a bassa e media tensione, da 100V a 600V, il nitruro di gallio può raggiungere un rapporto costo-efficacia superiore. Dal punto di vista strutturale, il nitruro di gallio ha una struttura laterale (come il JFET), ed è difficile raggiungere le elevate capacità di tensione del SiCMOSFET (struttura verticale).

Il nitruro di gallio è più interessante per gli interruttori che sono intrinsecamente normalmente spenti e rappresenta la tecnologia erede di tutti i transistor al silicio utilizzati finora. Inoltre, da una prospettiva di sistema complessiva, il vantaggio del GaN è che consente di realizzare una topologia più compatta.

La serie di prodotti CoolGaN sviluppata da Infineon è un transistor ad alta mobilità elettronica (E-HEMT) in nitruro di gallio, particolarmente adatto per la commutazione ad alta frequenza e ad alta tensione. Consente di ottenere un design più sottile e di aumentare ulteriormente la densità di potenza, migliorando così l'efficienza di conversione e riducendo i costi dell'intero sistema.

Yong Ang, direttore marketing strategico di ON Semiconductor, ha inoltre spiegato che i componenti in nitruro di gallio hanno una capacità parassita inferiore rispetto ai componenti in silicio, pertanto possono ridurre le perdite di commutazione legate alla carica di gate Qg e aumentare la frequenza di commutazione fino a un intervallo compreso tra centinaia di kHz e MHz senza ridurre l'efficienza energetica.

A differenza dei componenti di potenza al silicio, il nitruro di gallio non possiede un diodo intrinseco. Il gas di elettroni bidimensionale (2DEG) sulla superficie di interfaccia tra nitruro di alluminio e gallio (AlGaN) e nitruro di gallio può condurre corrente in modo inverso, ma non è presente la carica di recupero inversa QRR, il che lo rende particolarmente adatto per applicazioni di commutazione rigida.

A causa della sensibilità del nitruro di gallio alle sovratensioni e della sua capacità di valanga molto limitata rispetto al silicio, esso è particolarmente adatto per topologie a semiponte, dove la tensione drain-source è limitata alla tensione di alimentazione. Il nitruro di gallio è molto interessante nelle topologie di commutazione a tensione zero (ZVS) come LLC risonante, flyback a blocco attivo e PFC totem pole a commutazione rigida.

▲Evoluzione delle principali tecnologie dei dispositivi a radiofrequenza in diversi campi di applicazione

Dispositivi RF GaN globali

Panorama competitivo della filiera industriale

Attualmente, i principali mercati per i dispositivi a radiofrequenza sono i seguenti: mercato dei telefoni cellulari e dei moduli di comunicazione, che rappresenta circa l'80%; mercato dei router Wi-Fi, che rappresenta circa il 9%; mercato delle stazioni base di comunicazione, che rappresenta circa il 9%; mercato NB-IoT, che rappresenta circa il 2%.

▌Aziende chiave e progressi dei prodotti nella filiera industriale estera dei dispositivi a radiofrequenza GaN.  

Il lancio di prodotti a radiofrequenza a microonde in GaN ha subito una significativa accelerazione. Sebbene il settore delle radiofrequenze a microonde abbia attirato molta attenzione al momento, a causa dell'elevato livello tecnologico e delle eccessive barriere brevettuali, non sono presenti molte aziende in questo campo rispetto ai settori dell'elettronica di potenza e dell'optoelettronica, ma la maggior parte di esse possiede una solida capacità di ricerca scientifica e di gestione del mercato. L'offerta commerciale di dispositivi a radiofrequenza a microonde in GaN è in rapida crescita.

I prodotti Qorvo hanno la più ampia gamma di frequenza operativa, mentre i prodotti Skyworks hanno una frequenza operativa inferiore. La potenza di uscita del 73% dei prodotti di Qorvo, CREE e MACOM è concentrata tra 10W e 100W, con una potenza massima che raggiunge i 1500W (frequenza operativa 1.0-1.1GHz, prodotti da Qorvo). La tecnologia utilizzata è principalmente il percorso GaN/SiC GaN.

Inoltre, alcune aziende forniscono moduli RF GaN. Attualmente, 4 aziende commercializzano amplificatori RF GaN. Tra queste, i prodotti Qorvo offrono la gamma di frequenza operativa più ampia, con una frequenza massima che può raggiungere i 31 GHz. I prodotti Skyworks operano a frequenze inferiori, principalmente tra 0.05 e 1.218 GHz.

Gli amplificatori RF di Qorvo sono disponibili nelle più ampie categorie di prodotti. Nelle due bande di frequenza operative 5G (3.3-3.6 GHz e 4.8-5 GHz) annunciate dal Ministero dell'Industria e dell'Informatica del mio Paese, Qorvo ha lanciato il maggior numero di categorie di amplificatori RF, con potenze massime che raggiungono rispettivamente i 100 W e gli 80 W (la potenza massima dei prodotti Qorvo a 4.8-5 GHz a gennaio era di 60 W), mentre la potenza massima dei prodotti ADI a 4.8-5 GHz è aumentata a 50 W (la potenza massima dei prodotti precedenti era inferiore a 40 W), e la potenza degli altri prodotti è per lo più inferiore a 50 W.

▌Aziende chiave e progressi dei prodotti nella filiera industriale dei dispositivi RF GaN della Cina continentale  

Preoccupati per la velocità dello sviluppo tecnologico del mio Paese e con l'intento di frenare lo sviluppo delle nuove tecnologie dei materiali, i Paesi europei e americani hanno imposto un blocco tecnologico e materiale pressoché totale al mio Paese per quanto riguarda i materiali semiconduttori di terza generazione.

In questo contesto, gli istituti di ricerca scientifica e le unità aziendali del mio Paese, basandosi sull'innovazione indipendente, hanno conseguito risultati notevoli nel campo delle radiofrequenze a microonde GaN. Hanno realizzato progressi significativi nei settori militare e della difesa, nonché in quello delle comunicazioni civili, creando aziende chiave come CETC 13, CETC 55, ZTE, Datang Mobile e clienti importanti come China Mobile e China Unicom.

Suzhou Nengxun ha lanciato transistor di potenza RF con frequenze fino a 6 GHz, tensione di funzionamento di 48 V e potenza nominale da 10 W a 320 W.

Nel campo delle comunicazioni mobili, Suzhou Nengxun è già in grado di fornire valvole amplificatrici di potenza RF ad alta efficienza e alto guadagno, adatte ad applicazioni di comunicazione mobile come LTE, 4G e 5G. La frequenza operativa copre l'intervallo 1.8-3.8 GHz, la tensione operativa è di 48 V, la potenza nominale varia da 130 W a 390 W e la potenza media è compresa tra 16 W e 55 W.

Disclaimer: Questo articolo è una ristampa da "GaN World". Questo articolo rappresenta esclusivamente le opinioni personali dell'autore e non quelle di Sacco Micro o del settore. Viene ristampato e condiviso unicamente a supporto della tutela dei diritti di proprietà intellettuale. Si prega di indicare la fonte originale e l'autore in caso di ristampa. In caso di violazione del copyright, si prega di contattarci per la rimozione.

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