Yole meramalkan dalam laporan "Pasaran RF Galium Nitrida 2021: Aplikasi, Pemain Utama, Teknologi dan Substrat" ​​bahawa pasaran peranti RF galium nitrida (GaN) berkembang pada kadar pertumbuhan tahunan kompaun (CAGR) sebanyak 18%, daripada US$891 juta pada tahun 2020 kepada lebih daripada US$2.4 bilion pada tahun 2026.
Pasaran akan didominasi oleh aplikasi infrastruktur telekomunikasi pertahanan dan 5G, masing-masing merangkumi 49% dan 41% daripada jumlah pasaran menjelang 2026. Khususnya, segmen makro/mikro selular berasaskan GaN akan merangkumi lebih daripada 95% daripada pasaran infrastruktur telekomunikasi GaN pada tahun 2026.  Berbanding dengan semikonduktor generasi pertama (berasaskan silikon), semikonduktor generasi ketiga mempunyai jurang jalur yang besar, kekonduksian elektrik yang tinggi, dan kekonduksian terma yang tinggi. Ia mempunyai ciri-ciri medan elektrik pecahan kritikal yang tinggi, mobiliti elektron yang tinggi, dan ciri frekuensi yang baik. Galium Nitrida (Galium Nitrida; GaN) ialah bahan semikonduktor generasi ketiga yang paling mewakili dan telah menjadi salah satu bahan pilihan untuk peranti gelombang mikro suhu tinggi, frekuensi tinggi, dan kuasa tinggi. Ia merupakan sistem bahan dengan kecekapan penukaran elektro-optik dan fotoelektrik teori tertinggi setakat ini. Ciri-ciri cemerlang galium nitrida:

Pada masa ini, dua pertiga daripada peranti GaN digunakan dalam elektronik ketenteraan, seperti komunikasi ketenteraan, elektronik, gangguan, radar dan bidang lain; dalam bidang awam, galium nitrida terutamanya digunakan dalam stesen pangkalan komunikasi, peranti kuasa dan bidang lain.

Dalam tempoh lima tahun akan datang, peranti elektronik berasaskan bahan semikonduktor generasi ketiga akan digunakan secara meluas di stesen pangkalan 5G, kenderaan tenaga baharu, UHV, pusat data dan senario lain.

       

Teknologi RF GaN

Ia padanan sempurna untuk 5G

Jurang jalur galium nitrida ialah 3.4eV, manakala jurang jalur silikon, bahan semikonduktor yang paling biasa digunakan hari ini, ialah 1.12eV. Oleh itu, galium nitrida mempunyai prestasi yang lebih baik daripada komponen silikon dalam komponen berkuasa tinggi dan berkelajuan tinggi.
Galium nitrida sentiasa dikenali kerana keupayaan pemprosesan kuasa tingginya. Ia merupakan penguat pilihan untuk peralatan komunikasi tanpa wayar seperti stesen pangkalan, radar dan avionik. Ia juga telah digunakan dalam sistem komunikasi 4G selama bertahun-tahun. Dalam sistem komunikasi mudah alih 5G, kadar penghantaran data stesen pangkalan dan terminal telefon bimbit adalah lebih pantas daripada 4G, dan penggunaan spektrum teknologi modulasi adalah lebih tinggi, yang mengemukakan keperluan yang lebih tinggi untuk komponen dan modul bahagian hadapan frekuensi radio. Di samping itu, galium nitrida kurang sensitif terhadap sinaran elektromagnet, dan komponen galium nitrida menunjukkan kestabilan yang tinggi dalam persekitaran sinaran. Berbanding dengan transistor galium arsenida (GaAs), transistor galium nitrida boleh beroperasi pada suhu dan voltan yang jauh lebih tinggi, menjadikannya komponen penguatan kuasa frekuensi gelombang mikro yang ideal. Sebagai bahan semikonduktor generasi ketiga, galium nitrida telah dikaji dan digunakan selama lebih daripada 20 tahun, tetapi hanya dalam beberapa tahun kebelakangan ini prospek pembangunan komersialnya mula muncul. 5G tidak syak lagi merupakan salah satu daya penggerak utama di sebaliknya. Bahagian hadapan frekuensi radio komunikasi 5G mempunyai keperluan ketat untuk frekuensi tinggi dan kecekapan tinggi, di sinilah galium nitrida memainkan peranan. Di samping itu, permintaan untuk pengecasan pantas dan cekap bagi elektrifikasi kereta dan produk elektronik mudah alih juga akan memacu komponen kuasa galium nitrida ke pasaran massa, secara beransur-ansur menggantikan komponen kuasa silikon tradisional.

▲Carta perbandingan transistor kuasa RF dengan sistem bahan yang berbeza

▲Struktur peranti GaNHEMT▌Kuasa output tinggi dan kecekapan tambahan yang tinggi  

Sistem bahan GaN mudah membentuk sistem bahan heterojunction seperti AlGaN/GaN. Terdapat kesan polarisasi spontan dan polarisasi piezoelektrik yang sangat kuat pada antara muka heterojunction. Kepekatan gas elektron dua dimensi yang teraruh adalah sangat tinggi dan mempunyai mobiliti elektron sehingga 2000cm2/V·s. Oleh itu, transistor berdasarkan heterostruktur GaN juga dipanggil transistor mobiliti elektron tinggi, iaitu GaNHEMT (Transistor Mobiliti Elektron Tinggi). Pada masa yang sama, kekuatan medan pecahan bahan GaN adalah tinggi, beberapa kali lebih tinggi daripada Si dan GaAs; kekonduksian terma substrat separa penebat SiC yang digunakan dalam peranti GaNHEMT adalah lebih baik daripada kuprum logam, dan ciri pelesapan habanya yang baik kondusif untuk operasi berkuasa tinggi; GaNHEMT juga mempunyai ciri-ciri kapasitans parasit rendah dan voltan pecahan tinggi, yang sangat sesuai untuk merealisasikan penguat kuasa kecekapan tinggi (PA, PowerAmplifier).

▌Lebar denyut panjang, kitaran tugas tinggi  

GaNHEMT biasanya ditumbuhkan secara epitaksi pada substrat separa penebat SiC bahan celah jalur yang lebar. Kawalan ketumpatan kuasa GaNHEMT yang sesuai dengan mudah boleh mencapai lebar denyut yang panjang, kitaran tugas yang tinggi, dan boleh dicapai dalam operasi gelombang berterusan berkuasa tinggi.

▌Lebar jalur frekuensi kerja, frekuensi tinggi  

Frekuensi pemotongan GaNHEMT secara langsung menentukan frekuensi operasi dan lebar jalur serta-merta aplikasinya. Ia meningkat apabila kepekatan doping saluran meningkat, dan berkurangan apabila ketebalan saluran dan panjang get meningkat. Disebabkan oleh had tenaga jalur terlarang bahan semikonduktor Si, frekuensi pemotongannya adalah rendah, jadi frekuensi operasi peranti kuasa semikonduktor Si hanya boleh beroperasi di bawah jalur-S. Peranti GaAs mempunyai mobiliti pembawa yang jauh lebih baik daripada peranti lain dan frekuensi pemotongan yang tinggi. Walau bagaimanapun, ia dihadkan oleh kekuatan medan kerosakan dan mempunyai voltan operasi yang rendah, menghasilkan kuasa output peranti yang rendah. GaNHEMT mempunyai ciri-ciri tenaga jurang jalur yang luas, kekuatan medan kerosakan yang tinggi dan halaju hanyutan elektron tepu yang tinggi, yang mengimbangi kekurangan ini dan memperoleh prestasi frekuensi tinggi yang baik. GaNHEMT boleh beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi dan pada masa yang sama mempunyai kuasa output yang tinggi. Di samping itu, ciri-ciri semula jadi GaNHEMT menjadikan impedans input dan outputnya lebih tinggi, dan padanan impedans jalur lebar litar lebih mudah dicapai, menjadikan GaNHEMT sesuai untuk aplikasi jalur lebar.

▲Julat kerja frekuensi kuasa peranti RF dalam sistem bahan yang berbeza▌Rintangan radiasi yang kuat dan kebolehsuaian persekitaran yang kuat  

GaN ialah sebatian yang sangat stabil dengan ikatan atom yang kuat, kekonduksian terma yang tinggi, darjah pengionan tertinggi antara sebatian III-V, dan kestabilan kimia yang baik, menjadikan peranti GaN lebih tahan terhadap sinaran berbanding Si dan GaAs. Pada masa yang sama, GaN ialah bahan takat lebur yang tinggi dengan kekonduksian terma yang tinggi. Peranti kuasa GaN biasanya menggunakan SiC dengan kekonduksian terma yang lebih baik sebagai substrat, jadi peranti kuasa GaN mempunyai suhu simpang yang lebih tinggi dan boleh berfungsi dalam persekitaran suhu tinggi.

parameter	Si	GaAs	GaN
Lebar celah jalur (eV)	1.1	1.4	3.4
Pemalar dielektrik	11.8	12.8	9.0
Kekuatan medan kerosakan (106V/cm)	0.6	0.7	3.5
Kekonduksian terma (W/cm.K)	1.3	0.5	1.3
Mobiliti elektron (cm2/Vs)	1450	8500	900
Halaju elektron tepu (107cm/s)	1.0	2.0	2.7

▲Sifat-sifat utama bahan semikonduktor utama

Peranti RF GaN

dalam pelbagai aplikasiKelebihan prestasi

Stesen pangkalan komunikasi mudah alih merupakan salah satu aplikasi utama peranti frekuensi radio GaN. Berbanding dengan 4G, jalur frekuensi komunikasi 5G telah beralih kepada jalur frekuensi tinggi. Pada masa ini, jalur frekuensi komunikasi rangkaian 4G negara saya terutamanya ialah 2.6GHz. Pada tahun 2017, Kementerian Perindustrian dan Teknologi Maklumat telah mengeluarkan pelan penggunaan frekuensi untuk sistem 5G dalam jalur frekuensi 3-5GHz (jalur frekuensi pertengahan). Pada masa hadapan, jalur frekuensi tinggi di atas 6GHz akan ditambah secara beransur-ansur sebagai liputan kapasiti.

Berbanding dengan SiLDMOS dan GaAs, peranti RF GaN di stesen pangkalan boleh memenuhi keperluan kuasa tinggi, jalur frekuensi komunikasi tinggi dan kecekapan tinggi 5G dengan lebih berkesan. Walaupun SiLDMOS boleh mengeluarkan kuasa tinggi, dari segi frekuensi, ia hanya berkesan dalam julat spektrum tidak lebih daripada 3.5GHz. Walaupun frekuensi penguat kuasa GaAs boleh ditingkatkan, ia jauh lebih rendah daripada peranti GaN dari segi kuasa output. Oleh itu, dari segi komunikasi 5G yang memenuhi kuasa tinggi, frekuensi tinggi dan jalur lebar yang besar, penguat kuasa GaN adalah pilihan terbaik untuk stesen pangkalan.

▌Aplikasi Ketenteraan – Kelebihan Galium Nitrida dalam Sistem Radar dan Peperangan Elektronik  

Pasaran terbesar untuk peranti galium nitrida frekuensi radio kini berada dalam bidang ketenteraan dan aeroangkasa. Kira-kira lima belas tahun yang lalu, dengan pembiayaan daripada Jabatan Pertahanan AS, para penyelidik mula melabur dalam teknologi galium nitrida frekuensi radio, yang menimbulkan pasaran peranti galium nitrida frekuensi radio semasa.

Menurut statistik daripada Strategy Analytics, aplikasi pertahanan dan aeroangkasa menyumbang 40% daripada jumlah saiz pasaran RF galium nitrida, dan sistem radar dan peperangan elektronik merupakan pasaran aplikasi terbesar untuk RF galium nitrida.

Pada Mac 2017, Raytheon mengumumkan bahawa sistem pertahanan peluru berpandu Patriotnya telah menerima pakai sistem antena terkini berdasarkan teknologi galium nitrida. Patriot Missile Defense ialah sistem pertahanan peluru berpandu berasaskan darat yang mampu memintas peluru berpandu balistik, dron dan pesawat.

▲Peluru berpandu Patriot

Teknologi radar yang digunakan dalam sistem Patriot lama dipanggil tatasusunan imbasan elektronik pasif. Sistem radar baharu telah ditukar kepada tatasusunan imbasan elektronik aktif (AESA). Tatasusunan imbasan elektronik aktif akan menyediakan sistem Patriot dengan keupayaan radar 360 darjah.

"Raytheon percaya bahawa penaiktarafan kepada radar tatasusunan imbasan elektronik aktif berdasarkan teknologi galium nitrida akan membolehkan sistem Patriot mengekalkan kelebihannya terhadap senjata ofensif baharu." kata Tim Glaeser, naib presiden pembangunan perniagaan untuk Pertahanan Bersepadu Udara dan Peluru Berpandu Raytheon.

Radar tatasusunan imbasan elektronik aktif adalah berdasarkan teknologi tatasusunan berfasa. Peranti tatasusunan berfasa mengandungi sekumpulan antena yang boleh dikawal secara individu. Menggunakan teknologi pembentukan pancaran, kumpulan antena boleh dipusingkan ke arah yang berbeza.

Perlu diingatkan bahawa teknologi ini sedang beralih daripada penggunaan ketenteraan kepada penggunaan komersial. Contohnya, teknologi tatasusunan imbasan elektronik aktif dan tatasusunan berfasa telah digunakan dalam teknologi Wi-Fi gelombang milimeter 60GHz, sistem radar automotif dan stesen pangkalan tanpa wayar. Di samping itu, teknologi tatasusunan berfasa akan digunakan secara meluas dalam 5G.

Pada masa yang sama, penguat kuasa yang dihasilkan dengan teknologi galium nitrida juga telah digunakan dalam radio pegang tangan tentera untuk komunikasi titik-ke-titik.

▌Aplikasi Komersial - Kelebihan Prestasi Galium Nitrida dalam Pengurusan Kuasa  

Galium nitrida ialah bahan semikonduktor jurang jalur lebar (WBG) yang membolehkan komponen kuasa beroperasi pada voltan, frekuensi dan suhu yang lebih tinggi berbanding bahan semikonduktor silikon tradisional. Dalam aplikasi pengurusan kuasa, kelebihan galium nitrida termasuk:

• Kehilangan konduksi adalah kecil dan kecekapan tenaga adalah tinggi. Rintangan hidup (Rds,hidup) transistor galium nitrida adalah separuh daripada komponen silikon tradisional, menghasilkan kerugian yang lebih kecil dan kecekapan tenaga yang lebih tinggi pada arus keluaran yang sama. Kehilangan yang rendah juga bermaksud penjanaan haba yang rendah, yang dapat memudahkan reka bentuk komponen pelesapan haba dan sistem pengurusan haba dengan berkesan;

• Tiada diod badan dalam transistor galium nitrida dan tiada kehilangan pemulihan terbalik;

• Cas input transistor GaN sangat kecil dan hampir tiada kehilangan pemacu get;

• Komponen kuasa galium nitrida boleh menyokong frekuensi pensuisan yang lebih tinggi (galium nitrida: 1MHz, silikon: <100KHz), sekali gus mengurangkan saiz komponen pasif;

• Ketumpatan kuasa komponen galium nitrida adalah sangat tinggi, yang boleh mencapai lebih daripada empat kali ganda daripada LDMOS berasaskan silikon. Ia boleh meningkatkan kuasa output sambil mengurangkan saiz.

  
  

     

Chen Qingyuan, pengurus pemasaran kanan Bahagian Pengurusan Kuasa dan Multi-elektronik Greater China Infineon, membandingkan kelebihan dan kekurangan galium nitrida dan SiC, yang kedua-duanya merupakan bahan semikonduktor generasi ketiga. Kedua-duanya mempunyai prestasi pensuisan yang pantas dan membantu meningkatkan kecekapan, tetapi galium nitrida mempunyai kerugian yang lebih rendah daripada silikon.

Perbandingan lanjut dalam senario aplikasi menunjukkan bahawa dalam senario aplikasi berkuasa tinggi dan voltan tinggi, SiC menunjukkan kematangan dan keberkesanan kos yang baik; manakala dalam aplikasi voltan rendah dan sederhana 100V hingga 600V, galium nitrida boleh mencapai keberkesanan kos yang lebih tinggi. Dari sudut pandangan struktur, galium nitrida ialah struktur sisi (seperti JFET), dan sukar untuk mencapai keupayaan voltan tinggi SiCMOSFET (struktur menegak).

Galium nitrida lebih menarik untuk suis yang secara semula jadi biasanya dimatikan dan mewakili teknologi pengganti kepada semua transistor silikon yang digunakan setakat ini. Di samping itu, dari perspektif sistem keseluruhan, kelebihan GaN ialah ia boleh menjadikan topologi lebih padat.

Siri produk CoolGaN yang dibangunkan oleh Infineon ialah transistor mobiliti elektron tinggi mod peningkatan galium nitrida (E-HEMT), yang sangat sesuai untuk melakukan pensuisan frekuensi tinggi di bawah voltan tinggi. Ia boleh mencapai reka bentuk yang lebih nipis dan meningkatkan lagi ketumpatan kuasa, sekali gus meningkatkan lagi kecekapan penukaran dan mengurangkan kos keseluruhan sistem.

Yong Ang, pengarah pemasaran strategik ON Semiconductor, menjelaskan lagi bahawa komponen galium nitrida mempunyai kapasitans parasit yang lebih rendah daripada komponen silikon, jadi ia boleh mengurangkan kerugian pensuisan yang berkaitan dengan cas get Qg dan meningkatkan frekuensi pensuisan kepada julat ratusan kHz hingga MHz tanpa mengurangkan kecekapan tenaga.

Tidak seperti komponen kuasa silikon, galium nitrida tidak mempunyai diod badan. Gas elektron dua dimensi (2DEG) pada permukaan sempadan aluminium galium nitrida (AlGaN)/galium nitrida boleh mengalirkan arus secara terbalik, tetapi tiada cas pemulihan terbalik QRR, menjadikannya sangat sesuai untuk aplikasi pensuisan keras.

Disebabkan kepekaan galium nitrida terhadap voltan lampau dan keupayaan runtuhan salji yang sangat terhad berbanding silikon, ia amat sesuai untuk topologi separuh jambatan, di mana voltan sumber saliran diapit pada voltan rel. Galium nitrida mempunyai daya tarikan yang hebat dalam topologi pensuisan voltan sifar (ZVS) seperti LLC resonan, flyback pengapit aktif dan PFC kutub totem pensuisan keras.

▲Evolusi laluan teknologi peranti frekuensi radio arus perdana dalam pelbagai bidang aplikasi

Peranti RF GaN Global

Landskap persaingan rantaian industri

Pada masa ini, pasaran utama untuk peranti frekuensi radio adalah seperti berikut: pasaran telefon bimbit dan modul komunikasi, menyumbang kira-kira 80%; pasaran penghala WIFI, menyumbang kira-kira 9%; pasaran stesen pangkalan komunikasi, menyumbang kira-kira 9%; pasaran NB-IoT, menyumbang kira-kira 2%.

▌Syarikat-syarikat utama dan kemajuan produk dalam rantaian industri peranti frekuensi radio GaN luar negara  

Pelancaran produk peranti RF gelombang mikro GaN telah dipercepatkan dengan ketara. Walaupun bidang frekuensi radio gelombang mikro telah menarik banyak perhatian pada masa ini, disebabkan oleh tahap teknikal yang tinggi dan halangan paten yang berlebihan, tidak banyak syarikat dalam bidang ini berbanding bidang elektronik kuasa dan optoelektronik, tetapi kebanyakannya mempunyai kekuatan penyelidikan saintifik yang kukuh dan keupayaan operasi pasaran. Bekalan komersial peranti RF gelombang mikro GaN berkembang pesat.

Produk Qorvo mempunyai julat frekuensi operasi terbesar, dan produk Skyworks mempunyai frekuensi operasi yang lebih kecil. Kuasa output 73% produk Qorvo, CREE dan MACOM tertumpu antara 10W dan 100W, dengan kuasa maksimum mencapai 1500W (frekuensi operasi ialah 1.0-1.1GHz, yang dihasilkan oleh Qorvo). Teknologi yang digunakan terutamanya ialah laluan GaN/SiC GaN.

Di samping itu, sesetengah syarikat menyediakan produk modul RF GaN. Pada masa ini, 4 syarikat menyediakan jualan penguat RF GaN. Antaranya, produk Qorvo mempunyai julat frekuensi operasi terbesar dan frekuensi operasi maksimum boleh mencapai 31GHz. Produk Skyworks beroperasi pada frekuensi yang lebih kecil, terutamanya antara 0.05-1.218GHz.

Penguat RF Qorvo tersedia dalam kategori produk terbesar. Dalam dua jalur frekuensi operasi 5G (3.3-3.6GHz dan 4.8-5GHz) yang diumumkan oleh Kementerian Perindustrian dan Teknologi Maklumat negara saya, Qorvo telah melancarkan kategori produk penguat RF terbanyak, dengan kuasa tertinggi masing-masing mencapai 100W dan 80W (kuasa tertinggi produk 4.8-5GHz Qorvo pada bulan Januari ialah 60W), dan kuasa tertinggi produk 4.8-5GHz ADI telah meningkat kepada 50W (kuasa maksimum produk sebelumnya adalah kurang daripada 40W), dan kuasa produk lain kebanyakannya di bawah 50W.

▌Syarikat-syarikat utama dan kemajuan produk rangkaian industri peranti RF GaN Tanah Besar  

Disebabkan kebimbangan tentang kelajuan perkembangan teknologi negara saya dan idea untuk mengekang pembangunan teknologi bahan baharu negara saya, negara-negara Eropah dan Amerika telah mengenakan sekatan teknologi dan bahan yang hampir lengkap ke atas negara saya dari segi bahan semikonduktor generasi ketiga.

Dalam keadaan ini, institusi penyelidikan saintifik dan unit perniagaan negara saya berasaskan inovasi bebas dan telah mencapai hasil yang luar biasa dalam bidang frekuensi radio gelombang mikro GaN. Mereka telah mencapai kejayaan dalam bidang ketenteraan dan pertahanan serta bidang komunikasi awam, mewujudkan perusahaan utama seperti CETC 13, CETC 55, ZTE, Datang Mobile, dan pelanggan utama seperti China Mobile dan China Unicom.

Suzhou Nengxun telah melancarkan transistor kuasa RF dengan frekuensi sehingga 6GHz, voltan operasi 48V dan kuasa reka bentuk dari 10W-320W.

Dari segi komunikasi mudah alih, Suzhou Nengxun sudah boleh menyediakan tiub penguat kuasa RF berkecekapan tinggi dan bergandingan tinggi yang sesuai untuk aplikasi komunikasi mudah alih seperti LTE, 4G dan 5G. Frekuensi operasi meliputi 1.8-3.8GHz, voltan operasi ialah 48V, kuasa reka bentuk adalah antara 130W-390W, dan kuasa purata ialah 16W-55W.

Penafian: Artikel ini dicetak semula daripada "GaN World". Artikel ini hanya mewakili pandangan peribadi penulis dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Ia hanya dicetak semula dan dikongsi untuk menyokong perlindungan hak harta intelek. Sila nyatakan sumber asal dan penulis semasa mencetak semula. Jika terdapat sebarang pelanggaran, sila hubungi kami untuk memadamkannya.

Nombor telefon syarikat: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mel: 1615456225@qq.com
SQ: 3518641314 Pengurus Li

QQ: 332496225 Pengurus Qiu

Alamat: Bilik 809, Bangunan C, Bangunan Teknologi Zhantao, No. 1079 Minzhi Avenue, Daerah Baharu Longhua, Shenzhen