Yoleはレポート「窒化ガリウムRF市場2021：用途、主要企業、技術、基板」の中で、窒化ガリウム（GaN）RFデバイス市場が年平均成長率（CAGR）18%で成長し、2020年の8億9100万米ドルから2026年には2.4億米ドル以上に達すると予測している。
市場は防衛分野と5G通信インフラ分野が中心となり、2026年までにそれぞれ市場全体の49%と41%を占める見込みです。特に、GaNベースのマクロ/マイクロセルラー分野は、2026年にはGaN通信インフラ市場の95%以上を占めるでしょう。  第1世代（シリコンベース）半導体と比較して、第3世代半導体はバンドギャップが大きく、電気伝導率と熱伝導率が高い。また、高い臨界破壊電界、高い電子移動度、優れた周波数特性といった特徴を持つ。窒化ガリウム（GaN）は、最も代表的な第3世代半導体材料であり、高温・高周波・高出力マイクロ波デバイスの有力材料の一つとなっている。理論上の電気光学変換効率と光電変換効率が現在までで最も高い材料系である。窒化ガリウムの優れた特性：

現在、GaNデバイスの3分の2は、軍事通信、電子機器、干渉、レーダーなどの軍事電子機器分野で使用されています。民生分野では、窒化ガリウムは主に通信基地局、電源装置などの分野で使用されています。

今後5年間で、第3世代半導体材料をベースとした電子機器は、5G基地局、新エネルギー車、超高真空、データセンターなど、さまざまな分野で広く利用されるようになるだろう。

       

RF GaNテクノロジー

5Gに最適な組み合わせです

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.
窒化ガリウムは、その高い電力処理能力で常に知られてきました。基地局、レーダー、航空電子機器などの無線通信機器の増幅器として最適であり、4G通信システムでも長年使用されてきました。5G移動通信システムでは、基地局と携帯電話端末のデータ伝送速度が4Gよりも速く、変調技術のスペクトル利用率も高いため、無線周波数フロントエンド部品とモジュールに対する要求がさらに高まります。さらに、窒化ガリウムは電磁放射に対する感度が低く、窒化ガリウム部品は放射線環境下で高い安定性を示します。ガリウムヒ素（GaAs）トランジスタと比較して、窒化ガリウムトランジスタははるかに高い温度と電圧で動作できるため、マイクロ波周波数電力増幅部品として理想的です。第3世代半導体材料として、窒化ガリウムは20年以上にわたって研究と応用が行われてきましたが、商業開発の見通しが明らかになり始めたのはごく最近のことです。5Gは間違いなく、その主要な推進力の1つです。 5G通信の無線周波数フロントエンドは、高周波かつ高効率という厳しい要件を満たす必要があり、そこで窒化ガリウムが重要な役割を果たします。さらに、自動車の電動化や携帯電子機器の高速かつ効率的な充電に対する需要の高まりも、窒化ガリウム製パワーコンポーネントを一般市場に普及させ、従来のシリコン製パワーコンポーネントを徐々に置き換えていく原動力となるでしょう。

▲異なる材料系を用いたRFパワートランジスタの比較表

▲GaNHEMTデバイス構造▌高出力と高効率  

GaN材料系は、AlGaN/GaNなどのヘテロ接合材料系を容易に形成できます。ヘテロ接合界面には、極めて強い自発分極と圧電分極効果があります。誘起される二次元電子ガス濃度は非常に高く、電子移動度は最大2000cm2/V·sに達します。そのため、GaNヘテロ構造に基づくトランジスタは、高電子移動度トランジスタ、すなわちGaNHEMT（HighElectronMobilityTransistor）とも呼ばれます。同時に、GaN材料の破壊電界強度は高く、SiやGaAsの数倍です。GaNHEMTデバイスで使用されるSiC半絶縁基板の熱伝導率は金属銅よりも優れており、その優れた放熱特性は高出力動作に適しています。GaNHEMTは寄生容量が低く、破壊電圧が高いという特性も持ち合わせており、高効率パワーアンプ（PA、PowerAmplifier）の実現に非常に適しています。

▌長いパルス幅、高いデューティサイクル  

GaNHEMTは通常、ワイドバンドギャップ材料であるSiC半絶縁性基板上にエピタキシャル成長されます。GaNHEMTの電力密度を適切に制御することで、長パルス幅、高デューティサイクルを容易に実現でき、高出力連続波動作も可能です。

▌動作周波数帯域幅、高周波  

GaNHEMTのカットオフ周波数は、そのアプリケーションの動作周波数と瞬時帯域幅を直接決定します。チャネルのドーピング濃度が増加するとカットオフ周波数は上昇し、チャネルの厚さとゲート長が増加するとカットオフ周波数は低下します。Si半導体材料の禁制帯エネルギーの制限により、カットオフ周波数は低いため、Si半導体パワーデバイスの動作周波数はSバンド以下でしか動作できません。GaAsデバイスは、他のデバイスよりもはるかに優れたキャリア移動度と高いカットオフ周波数を持っています。しかし、破壊電界強度に制限され、動作電圧が低いため、デバイスの出力電力が低くなります。GaNHEMTは、広いバンドギャップエネルギー、高い破壊電界強度、高い飽和電子ドリフト速度という特性を持ち、この欠点を補い、優れた高周波性能を実現します。GaNHEMTは、より高い周波数で動作し、同時に高い出力電力を得ることができます。さらに、GaNHEMTの固有の特性により、入力インピーダンスと出力インピーダンスが高くなり、回路の広帯域インピーダンス整合が容易になるため、GaNHEMTは広帯域アプリケーションに適しています。

▲Power-frequency working range of RF devices in different material systems▌高い耐放射線性と優れた環境適応性  

GaNは、原子間の結合が強く、熱伝導率が高く、III-V族化合物の中で最も高いイオン化度を持ち、化学的安定性にも優れているため、非常に安定した化合物です。そのため、GaNデバイスはSiやGaAsよりも放射線に対する耐性が高いと言えます。同時に、GaNは融点が高く、熱伝導率も高い材料です。GaNパワーデバイスは通常、熱伝導率の高いSiCを基板として使用するため、接合部温度が高く、高温環境下でも動作可能です。

パラメーター	Si	GaAsの	GaN
バンドギャップ幅（eV）	1.1	1.4	3.4
誘電率	11.8	12.8	9.0
絶縁破壊電界強度（106⁶V/cm）	0.6	0.7	3.5
熱伝導率（W/cm・K）	1.3	0.5	1.3
電子移動度（cm²/Vs）	1450	8500	900
飽和電子速度（107⁷cm/s）	1.0	2.0	2.7

▲主要半導体材料の主要特性

GaN RFデバイス

さまざまな用途でパフォーマンス上の利点

移動体通信基地局は、GaN無線周波数デバイスの主要な用途の一つです。4Gと比較して、5Gの通信周波数帯域は高周波帯域へと移行しています。現在、我が国の4Gネットワ​​ークの通信周波数帯域は主に2.6GHzです。2017年、工業情報化部は3～5GHz帯（中周波数帯域）における5Gシステムの周波数利用計画を発表しました。今後、容量カバレッジとして6GHz以上の高周波帯域が段階的に追加される予定です。

SiLDMOSやGaAsと比較して、基地局のGaN RFデバイスは、5Gの高出力、広帯域通信、高効率といった要件をより効果的に満たすことができます。SiLDMOSは高出力を出力できますが、周波数に関しては3.5GHz以下のスペクトル範囲でしか有効ではありません。GaAsパワーアンプの周波数は上げることができますが、出力電力の面ではGaNデバイスに大きく劣ります。したがって、高出力、高周波、広帯域幅が求められる5G通信においては、基地局にはGaNパワーアンプが最適な選択肢となります。

▌軍事用途 – レーダーおよび電子戦システムにおける窒化ガリウムの利点  

高周波窒化ガリウムデバイスの最大の市場は現在、軍事および航空宇宙分野にある。約15年前、米国国防総省の資金援助を受けて、研究者たちは高周波窒化ガリウム技術への投資を開始し、それが現在の高周波窒化ガリウムデバイス市場の誕生につながった。

Strategy Analyticsの統計によると、RF窒化ガリウムの市場規模全体のうち、防衛・航空宇宙分野が40%を占めており、レーダーおよび電子戦システムがRF窒化ガリウムの最大の応用市場となっている。

2017年3月、レイセオン社は、同社のパトリオットミサイル防衛システムに、窒化ガリウム技術に基づいた最新のアンテナシステムを採用したと発表した。パトリオットミサイル防衛システムは、弾道ミサイル、ドローン、航空機を迎撃できる地上配備型のミサイル防衛システムである。

▲Patriot missile

旧パトリオットシステムで使用されていたレーダー技術は、パッシブ電子走査アレイ（PESA）と呼ばれていました。新しいレーダーシステムは、アクティブ電子走査アレイ（AESA）に変更されました。AESAにより、パトリオットシステムは360度のレーダー探知能力を備えることになります。

「レイセオンは、窒化ガリウム技術に基づいたアクティブ電子走査アレイレーダーへのアップグレードにより、パトリオットシステムが新たな攻撃兵器に対する優位性を維持できると確信している」と、レイセオン航空・ミサイル統合防衛事業開発担当副社長のティム・グレーザー氏は述べた。

アクティブ電子走査アレイレーダーは、フェーズドアレイ技術に基づいています。フェーズドアレイ装置は、個別に制御可能なアンテナ群で構成されています。ビームフォーミング技術を用いることで、これらのアンテナ群を様々な方向に向けることができます。

これらの技術が軍事用途から商業用途へと移行しつつあることは注目に値する。例えば、アクティブ電子走査アレイ（ASA）やフェーズドアレイ技術は、60GHzミリ波Wi-Fi技術、車載レーダーシステム、無線基地局などに利用されている。さらに、フェーズドアレイ技術は5Gにおいても広く活用されるだろう。

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

▌商用アプリケーション - 電源管理における窒化ガリウムの性能上の利点  

窒化ガリウムは、従来のシリコン半導体材料よりも高い電圧、周波数、温度でパワーコンポーネントを動作させることができるワイドバンドギャップ（WBG）半導体材料です。電力管理アプリケーションにおける窒化ガリウムの利点は以下のとおりです。

• 伝導損失が小さく、エネルギー効率が高い。窒化ガリウムトランジスタのオン抵抗（Rds,on）は従来のシリコン部品の半分であるため、同じ出力電流で損失が小さく、エネルギー効率が高くなる。損失が少ないということは発熱も少ないということであり、放熱部品や熱管理システムの設計を効果的に簡素化できる。

• 窒化ガリウムトランジスタにはボディダイオードがなく、逆回復損失もありません。

• GaNトランジスタの入力電荷は非常に小さく、ゲート駆動損失はほとんどありません。

• Gallium nitride power components can support higher switching frequencies (gallium nitride: 1MHz, silicon: <100KHz), thereby reducing the size of passive components;

• 窒化ガリウム部品の電力密度は非常に高く、シリコンベースのLDMOSの4倍以上に達することもあります。これにより、サイズを縮小しながら出力電力を向上させることが可能です。

  
  

     

インフィニオンのグレーターチャイナ電力管理・マルチエレクトロニクス部門のシニアマーケティングマネージャーである陳慶元氏は、いずれも第3世代半導体材料である窒化ガリウムと炭化ケイ素の長所と短所を比較した。どちらも高速スイッチング性能を持ち、効率向上に役立つが、窒化ガリウムはシリコンよりも損失が少ない。

応用シナリオにおけるさらなる比較から、高出力・高電圧の応用シナリオではSiCが優れた成熟度とコスト効率を示す一方、100V～600Vの低・中電圧アプリケーションでは窒化ガリウムの方が高いコスト効率を実現できることがわかった。構造的な観点から見ると、窒化ガリウムは横型構造（JFETなど）であり、SiCMOSFET（縦型構造）のような高電圧性能を実現することは難しい。

窒化ガリウムは、本来的に通常オフ状態であるスイッチにとってより魅力的な材料であり、これまで使用されてきたすべてのシリコントランジスタの後継技術と言えます。さらに、システム全体の観点から見ると、GaNの利点は、回路構成をよりコンパクトにできることです。

インフィニオンが開発したCoolGaNシリーズ製品は、窒化ガリウムを用いたエンハンスメントモード高電子移動度トランジスタ（E-HEMT）であり、高電圧下での高周波スイッチングに非常に適しています。これにより、より薄型の設計が可能となり、電力密度をさらに向上させることで、変換効率をさらに高め、システム全体のコストを削減できます。

ON Semiconductorの戦略マーケティングディレクターであるヨン・アン氏は、窒化ガリウム部品はシリコン部品よりも寄生容量が低いため、ゲート電荷Qgに関連するスイッチング損失を低減し、エネルギー効率を低下させることなくスイッチング周波数を数百kHzからMHzの範囲まで高めることができるとさらに説明した。

シリコンパワーコンポーネントとは異なり、窒化ガリウムにはボディダイオードがありません。アルミニウムガリウム窒化物（AlGaN）/窒化ガリウム界面上の二次元電子ガス（2DEG）は逆方向に電流を流すことができますが、逆回復電荷QRRは存在しないため、ハードスイッチング用途に非常に適しています。

窒化ガリウムは過電圧に対する感度が高く、シリコンに比べてアバランシェ耐性が非常に低いため、ドレイン・ソース間電圧が電源電圧にクランプされるハーフブリッジ構成に特に適しています。また、共振型LLC、アクティブクランプ型フライバック、ハードスイッチング型トーテムポールPFCなどのゼロ電圧スイッチング（ZVS）構成においても、窒化ガリウムは大きな魅力を持っています。

▲さまざまな応用分野における主流無線周波数デバイス技術の進化

グローバルGaN RFデバイス

Industry chain competition landscape

At present, the main markets for radio frequency devices are as follows: mobile phone and communication module market, accounting for about 80%; WIFI router market, accounting for about 9%; communication base station market, accounting for about 9%; NB-IoT market, accounting for about 2%.

▌海外GaN無線周波数デバイス産業チェーンにおける主要企業と製品の進捗状況  

GaNマイクロ波RFデバイス製品の発売が著しく加速している。マイクロ波無線周波数分野は現在大きな注目を集めているものの、高度な技術レベルと過剰な特許障壁のため、パワーエレクトロニクスやオプトエレクトロニクス分野に比べて企業数は多くないものの、そのほとんどが強力な研究開発力と市場運営能力を有している。GaNマイクロ波RFデバイスの商用供給は急速に拡大している。

Qorvo製品は動作周波数範囲が最も広く、Skyworks製品はそれよりも狭い動作周波数範囲となっています。Qorvo、CREE、MACOMの製品の73%は出力が10W～100Wの範囲に集中しており、最大出力は1500W（動作周波数1.0～1.1GHz、Qorvo製）に達しています。使用されている技術は主にGaN/SiC GaNルートです。

さらに、GaN RFモジュール製品を提供する企業もいくつかあります。現在、GaN RFアンプを販売している企業は4社あります。その中でも、Qorvo社の製品は動作周波数範囲が最も広く、最大動作周波数は31GHzに達します。Skyworks社の製品は、主に0.05～1.218GHzのより低い周波数で動作します。

QorvoのRFアンプは、最も幅広い製品カテゴリーで提供されています。我が国の産業情報技術省が発表した2つの5G動作周波数帯（3.3～3.6GHzと4.8～5GHz）において、Qorvoは最も多くのRFアンプ製品カテゴリーを発売しており、最高出力はそれぞれ100Wと80Wに達しています（1月時点のQorvoの4.8～5GHz製品の最高出力は60Wでした）。また、ADIの4.8～5GHz製品の最高出力は50Wに向上し（以前の製品の最大出力は40W未満でした）、その他の製品の出力はほとんどが50W未満です。

▌中国本土のGaN RFデバイス産業チェーンの主要企業と製品開発状況  

欧米諸国は、我が国の技術発展のスピードに対する懸念と、我が国の新素材技術の開発を抑制しようとする考えから、第三世代半導体材料に関して、我が国に対してほぼ完全な技術・素材封鎖を課している。

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.

蘇州能迅は、最大周波数6GHz、動作電圧48V、設計電力10W～320WのRFパワートランジスタを発表した。

モバイル通信分野において、蘇州能迅はLTE、4G、5Gなどのモバイル通信アプリケーションに適した高効率・高利得のRFパワーアンプ管を既に提供可能です。動作周波数は1.8～3.8GHz、動作電圧は48V、設計電力は130W～390W、平均電力は16W～55Wです。

免責事項：この記事は「GaN World」からの転載です。この記事は著者の個人的な見解を示すものであり、Sacco Microおよび業界の見解を示すものではありません。知的財産権の保護を支援する目的で転載・共有しています。転載の際は、出典と著者を明記してください。著作権侵害が疑われる場合は、削除いたしますのでご連絡ください。

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