Yole voorspelt in het rapport "Gallium Nitride RF Market 2021: Applications, Major Players, Technologies and Substrates" dat de markt voor galliumnitride (GaN) RF-componenten groeit met een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 18%, van 891 miljoen dollar in 2020 tot meer dan 2.4 miljard dollar in 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.  Vergeleken met de eerste generatie (op silicium gebaseerde) halfgeleiders, hebben de halfgeleiders van de derde generatie een grote bandafstand, een hoge elektrische geleidbaarheid en een hoge thermische geleidbaarheid. Ze kenmerken zich door een hoge kritische doorslagspanning, een hoge elektronenmobiliteit en goede frequentiekarakteristieken. Galliumnitride (GaN) is het meest representatieve halfgeleidermateriaal van de derde generatie en is uitgegroeid tot een van de voorkeursmaterialen voor microgolfapparaten die werken bij hoge temperaturen, hoge frequenties en hoog vermogen. Het is het materiaalsysteem met de hoogste theoretische elektro-optische en foto-elektrische conversie-efficiëntie tot nu toe. Uitstekende eigenschappen van galliumnitride:

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.

In the next five years, electronic devices based on third-generation semiconductor materials will be widely used in 5G base stations, new energy vehicles, UHV, data centers and other scenarios.

       

RF GaN-technologie

Het is een perfecte match voor 5G.

De bandafstand van galliumnitride is 3.4 eV, terwijl die van silicium, het meest gebruikte halfgeleidermateriaal van vandaag, 1.12 eV is. Daarom presteert galliumnitride beter dan siliciumcomponenten in krachtige en snelle componenten.
Galliumnitride staat al lange tijd bekend om zijn hoge vermogensverwerkingscapaciteit. Het is de voorkeursversterker voor draadloze communicatieapparatuur zoals basisstations, radars en avionica. Het wordt ook al jaren gebruikt in 4G-communicatiesystemen. In het 5G-mobiele communicatiesysteem is de gegevensoverdrachtssnelheid van basisstations en mobiele telefoons hoger dan die van 4G, en de spectrumbenutting van modulatietechnologie is hoger, wat hogere eisen stelt aan radiofrequentie-front-endcomponenten en -modules. Bovendien is galliumnitride minder gevoelig voor elektromagnetische straling en vertonen galliumnitridecomponenten een hoge stabiliteit in stralingsomgevingen. Vergeleken met galliumarsenide (GaAs)-transistoren kunnen galliumnitridetransistoren bij veel hogere temperaturen en spanningen werken, waardoor ze ideale componenten zijn voor vermogensversterking in het microgolffrequentiebereik. Als halfgeleidermateriaal van de derde generatie wordt galliumnitride al meer dan 20 jaar onderzocht en toegepast, maar pas de laatste jaren beginnen de commerciële ontwikkelingsperspectieven zich af te tekenen. 5G is ongetwijfeld een van de belangrijkste drijvende krachten hierachter. De radiofrequentie-front-end van 5G-communicatie stelt strenge eisen aan hoge frequentie en hoge efficiëntie, en dat is waar galliumnitride een rol speelt. Daarnaast zal de vraag naar snel en efficiënt opladen van elektrische auto's en draagbare elektronische producten de opkomst van galliumnitride-vermogenscomponenten op de massamarkt stimuleren, waardoor traditionele silicium-vermogenscomponenten geleidelijk aan worden vervangen.

▲Vergelijkingstabel van RF-vermogenstransistors met verschillende materiaalsystemen

▲GaNHEMT-apparaatstructuur▌Hoog uitgangsvermogen en hoge extra efficiëntie  

GaN-materiaalsystemen zijn gemakkelijk te gebruiken voor de vorming van heterojunctiesystemen zoals AlGaN/GaN. Er zijn extreem sterke spontane polarisatie- en piëzo-elektrische polarisatie-effecten op het grensvlak van de heterojunctie. De geïnduceerde tweedimensionale elektronengasconcentratie is zeer hoog en heeft een elektronenmobiliteit tot wel 2000 cm²/V·s. Daarom worden transistors gebaseerd op GaN-heterostructuren ook wel transistors met hoge elektronenmobiliteit genoemd, namelijk GaNHEMT (HighElectronMobilityTransistor). Tegelijkertijd is de doorslagveldsterkte van GaN-materiaal hoog, meerdere malen hoger dan die van Si en GaAs; de thermische geleidbaarheid van het SiC-halfgeleidende substraat dat in GaNHEMT-apparaten wordt gebruikt, is beter dan die van metallisch koper, en de goede warmteafvoerende eigenschappen zijn bevorderlijk voor hoge vermogenswerking; GaNHEMT heeft ook de kenmerken van een lage parasitaire capaciteit en een hoge doorslagspanning, waardoor het zeer geschikt is voor het realiseren van zeer efficiënte eindversterkers (PA, PowerAmplifier).

▌Long pulse width, high duty cycle  

GaNHEMT's worden doorgaans epitaxiaal gekweekt op een halfgeleidend SiC-substraat met een brede bandgap. Door de vermogensdichtheid van GaNHEMT's nauwkeurig te regelen, kunnen gemakkelijk lange pulsen, een hoge duty cycle en een hoge vermogenscontinue werking worden gerealiseerd.

▌Working frequency bandwidth, high frequency  

De afsnijfrequentie van een GaNHEMT bepaalt direct de werkfrequentie en de momentane bandbreedte van de toepassing. Deze neemt toe naarmate de doteringsconcentratie van het kanaal toeneemt en neemt af naarmate de dikte van het kanaal en de lengte van de poort toenemen. Door de beperking van de energie van de verboden band van silicium (Si) is de afsnijfrequentie laag, waardoor Si-vermogenscomponenten alleen onder de S-band kunnen werken. GaAs-componenten hebben een veel betere ladingsdragerbewegelijkheid dan andere componenten en een hoge afsnijfrequentie. Ze worden echter beperkt door de doorslagveldsterkte en hebben een lage werkspanning, wat resulteert in een laag uitgangsvermogen. GaNHEMT's hebben de kenmerken van een brede bandkloofenergie, een hoge doorslagveldsterkte en een hoge verzadigingssnelheid van elektronen, wat dit tekort compenseert en zorgt voor goede prestaties bij hoge frequenties. GaNHEMT's kunnen op hogere frequenties werken en tegelijkertijd een hoog uitgangsvermogen leveren. Bovendien zorgen de inherente eigenschappen van GaNHEMT ervoor dat de ingangs- en uitgangsimpedantie hoger zijn, waardoor een breedbandige impedantieaanpassing van het circuit gemakkelijker te realiseren is. Dit maakt GaNHEMT geschikt voor breedbandtoepassingen.

▲Werkfrequentiebereik van RF-apparaten in verschillende materiaalsystemen▌Sterke stralingsbestendigheid en een groot aanpassingsvermogen aan de omgeving.  

GaN is een extreem stabiele verbinding met sterke atoomverbindingen, een hoge thermische geleidbaarheid, de hoogste ionisatiegraad onder de III-V-verbindingen en een goede chemische stabiliteit. Hierdoor zijn GaN-componenten beter bestand tegen straling dan Si- en GaAs-componenten. Tegelijkertijd is GaN een materiaal met een hoog smeltpunt en een hoge thermische geleidbaarheid. GaN-vermogenscomponenten gebruiken doorgaans SiC als substraat, dat een betere thermische geleidbaarheid heeft. Hierdoor hebben GaN-vermogenscomponenten een hogere junctietemperatuur en kunnen ze functioneren in omgevingen met hoge temperaturen.

parameter	Si	GaAs	GaN
Bandkloofbreedte (eV)	1.1	1.4	3.4
Diëlektrische constante	11.8	12.8	9.0
Doorslagveldsterkte (106V/cm)	0.6	0.7	3.5
Thermische geleidbaarheid (W/cm.K)	1.3	0.5	1.3
Electron mobility (cm2/V.s)	1450	8500	900
Verzadigingssnelheid van elektronen (107 cm/s)	1.0	2.0	2.7

▲Belangrijkste eigenschappen van de belangrijkste halfgeleidermaterialen

GaN RF-apparaten

in diverse toepassingenPrestatie voordelen

Mobiele communicatiebasisstations zijn een van de belangrijkste toepassingen van GaN-radiofrequentieapparaten. In vergelijking met 4G is de communicatiefrequentieband van 5G verschoven naar hogere frequentiebanden. Momenteel is de communicatiefrequentieband van het 4G-netwerk in mijn land voornamelijk 2.6 GHz. In 2017 publiceerde het Ministerie van Industrie en Informatietechnologie een frequentiegebruiksplan voor 5G-systemen in de 3-5 GHz-frequentieband (middenfrequentieband). In de toekomst zullen geleidelijk aan hogere frequentiebanden boven de 6 GHz worden toegevoegd om de capaciteit te vergroten.

Vergeleken met SiLDMOS en GaAs kunnen GaN RF-componenten in het basisstation effectiever voldoen aan de eisen van 5G op het gebied van hoog vermogen, hoge communicatiefrequentiebandbreedte en hoge efficiëntie. Hoewel SiLDMOS een hoog vermogen kan leveren, is het qua frequentiebereik beperkt tot maximaal 3.5 GHz. Hoewel de frequentie van GaAs-vermogensversterkers kan worden verhoogd, is het uitgangsvermogen aanzienlijk lager dan dat van GaN-componenten. Daarom zijn GaN-vermogensversterkers de beste keuze voor basisstations in 5G-communicatie met hoge vermogens-, hoge frequentie- en grote bandbreedte-eisen.

▌Militaire toepassingen – Voordelen van galliumnitride in radar- en elektronische oorlogsvoeringssystemen  

De grootste markt voor radiofrequente galliumnitride-apparaten bevindt zich momenteel in de militaire en ruimtevaartsector. Ongeveer vijftien jaar geleden begonnen onderzoekers, met financiering van het Amerikaanse ministerie van Defensie, te investeren in radiofrequente galliumnitride-technologie, wat leidde tot de huidige markt voor radiofrequente galliumnitride-apparaten.

Volgens statistieken van Strategy Analytics vertegenwoordigen defensie- en ruimtevaarttoepassingen 40% van de totale markt voor RF-galliumnitride, waarbij radar- en elektronische oorlogsvoeringssystemen de grootste toepassingsmarkten voor RF-galliumnitride vormen.

In March 2017, Raytheon announced that its Patriot missile defense system adopted the latest antenna system based on gallium nitride technology. Patriot Missile Defense is a land-based missile defense system capable of intercepting ballistic missiles, drones and aircraft.

▲Patriot-raket

De radartechnologie die in het oude Patriot-systeem werd gebruikt, heette een passieve elektronisch gescande array. Het nieuwe radarsysteem is vervangen door een actieve elektronisch gescande array (AESA). De actieve elektronisch gescande array geeft het Patriot-systeem een ​​radarbereik van 360 graden.

"Raytheon is ervan overtuigd dat de overstap naar een actieve elektronisch gescande array-radar op basis van galliumnitride-technologie het Patriot-systeem in staat zal stellen zijn voorsprong op nieuwe offensieve wapens te behouden", aldus Tim Glaeser, vicepresident bedrijfsontwikkeling bij Raytheon Air and Missile Integrated Defense.

Actieve elektronisch gescande array-radar is gebaseerd op phased array-technologie. Het phased array-apparaat bevat een groep antennes die individueel kunnen worden aangestuurd. Met behulp van beamforming-technologie kan de groep antennes in verschillende richtingen worden gedraaid.

Het is belangrijk op te merken dat deze technologieën zich van militair naar commercieel gebruik verplaatsen. Zo worden actieve elektronisch gescande arrays (ASA) en phased arrays (FAA) bijvoorbeeld gebruikt in 60 GHz millimetergolf Wi-Fi-technologie, radarsystemen voor auto's en draadloze basisstations. Daarnaast zal phased array-technologie op grote schaal worden toegepast in 5G.

Tegelijkertijd worden vermogensversterkers die met galliumnitridetechnologie zijn vervaardigd ook gebruikt in draagbare militaire radio's voor punt-tot-puntcommunicatie.

▌Commerciële toepassingen - Prestatievoordelen van galliumnitride in energiebeheer  

Galliumnitride is een halfgeleidermateriaal met een brede bandgap (WBG) waardoor vermogenscomponenten op hogere spanningen, frequenties en temperaturen kunnen werken dan met traditionele siliciumhalfgeleidermaterialen. In toepassingen voor energiebeheer biedt galliumnitride onder andere de volgende voordelen:

• Het geleidingsverlies is klein en de energie-efficiëntie is hoog. De aanweerstand (Rds,on) van galliumnitridetransistoren is de helft van die van traditionele siliciumcomponenten, wat resulteert in kleinere verliezen en een hogere energie-efficiëntie bij dezelfde uitgangsstroom. Lage verliezen betekenen ook een lage warmteontwikkeling, wat het ontwerp van warmteafvoercomponenten en thermische beheersystemen aanzienlijk kan vereenvoudigen.

• De galliumnitride-transistor heeft geen interne diode en er is geen verlies door omgekeerde herstelstroom;

• De ingangslading van GaN-transistoren is zeer klein en er is vrijwel geen verlies door gate-aansturing;

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

• De vermogensdichtheid van galliumnitridecomponenten is zeer hoog en kan meer dan vier keer zo hoog zijn als die van op silicium gebaseerde LDMOS-componenten. Hierdoor kan het uitgangsvermogen worden verhoogd en de afmetingen worden verkleind.

  
  

     

Chen Qingyuan, senior marketingmanager van Infineon's divisie voor energiebeheer en multi-elektronica in Groot-China, vergeleek de voor- en nadelen van galliumnitride en siliciumcarbide (SiC), beide halfgeleidermaterialen van de derde generatie. Beide materialen hebben snelle schakelprestaties en dragen bij aan een hogere efficiëntie, maar galliumnitride heeft lagere verliezen dan silicium.

Further comparison in application scenarios shows that in high-power and higher-voltage application scenarios, SiC shows good maturity and cost-effectiveness; while in low- and medium-voltage applications of 100V to 600V, gallium nitride can achieve higher cost-effectiveness. From a structural point of view, gallium nitride is a lateral structure (such as JFET), and it is difficult to achieve the high voltage capability of SiCMOSFET (vertical structure).

Galliumnitride is aantrekkelijker voor schakelaars die van nature normaal uitgeschakeld zijn en vertegenwoordigt de opvolger van alle tot nu toe gebruikte siliciumtransistoren. Bovendien is het voordeel van GaN, vanuit een algemeen systeemperspectief, dat het de topologie compacter kan maken.

De CoolGaN-productserie van Infineon is een galliumnitride-transistor met verbeterde elektronmobiliteit (E-HEMT), die zeer geschikt is voor schakelen met hogere frequenties onder hoge spanning. Dankzij de dunnere constructie en de hogere vermogensdichtheid wordt de conversie-efficiëntie verder verbeterd en de kosten van het gehele systeem verlaagd.

Yong Ang, strategisch marketingdirecteur van ON Semiconductor, legde verder uit dat galliumnitridecomponenten een lagere parasitaire capaciteit hebben dan siliciumcomponenten, waardoor ze schakelverliezen gerelateerd aan gate-lading Qg kunnen verminderen en de schakelfrequentie kunnen verhogen tot een bereik van honderden kHz tot MHz zonder de energie-efficiëntie te verminderen.

In tegenstelling tot siliciumvermogenscomponenten heeft galliumnitride geen interne diode. Het tweedimensionale elektronengas (2DEG) op het grensvlak tussen aluminiumgalliumnitride (AlGaN) en galliumnitride kan stroom in omgekeerde richting geleiden, maar er is geen omgekeerde herstellading (QRR), waardoor het zeer geschikt is voor toepassingen met harde schakelingen.

Door de gevoeligheid van galliumnitride voor overspanning en de zeer beperkte lawinebestendigheid in vergelijking met silicium, is het bijzonder geschikt voor halfbrugtopologieën, waarbij de drain-source-spanning wordt begrensd tot de voedingsspanning. Galliumnitride is zeer aantrekkelijk voor zero-voltage switching (ZVS)-topologieën zoals resonante LLC, active-clamp flyback en hard-switching totem pole PFC.

▲Evolutie van de technologie van gangbare radiofrequentieapparaten in verschillende toepassingsgebieden

Wereldwijde GaN RF-apparaten

Concurrentielandschap in de industriële keten

Momenteel zijn de belangrijkste afzetmarkten voor radiofrequentieapparaten als volgt: de markt voor mobiele telefoons en communicatiemodules, goed voor ongeveer 80%; de markt voor wifi-routers, goed voor ongeveer 9%; de markt voor communicatiebasisstations, goed voor ongeveer 9%; en de NB-IoT-markt, goed voor ongeveer 2%.

▌Belangrijke bedrijven en productontwikkelingen in de overzeese GaN-radiofrequentiecomponentenindustrie.  

De introductie van GaN-microgolf-RF-componenten is aanzienlijk versneld. Hoewel het vakgebied van microgolf-RF momenteel veel aandacht trekt, zijn er, vanwege het hoge technische niveau en de hoge patentdrempels, nog niet veel bedrijven actief in dit vakgebied in vergelijking met de vermogenselektronica en opto-elektronica. De meeste bedrijven beschikken echter over een sterke wetenschappelijke onderzoeksbasis en marktgerichte capaciteiten. De commerciële levering van GaN-microgolf-RF-componenten groeit dan ook snel.

Qorvo-producten hebben het grootste werkfrequentiebereik, terwijl Skyworks-producten een kleiner werkfrequentiebereik hebben. Het uitgangsvermogen van 73% van de producten van Qorvo, CREE en MACOM ligt tussen de 10W en 100W, met een maximaal vermogen van 1500W (werkfrequentie 1.0-1.1 GHz, geproduceerd door Qorvo). De gebruikte technologie is voornamelijk de GaN/SiC GaN-route.

Daarnaast leveren sommige bedrijven ook GaN RF-modules. Momenteel verkopen vier bedrijven GaN RF-versterkers. De producten van Qorvo hebben het grootste werkfrequentiebereik, met een maximale werkfrequentie van 31 GHz. De producten van Skyworks werken op lagere frequenties, voornamelijk tussen 0.05 en 1.218 GHz.

Qorvo RF-versterkers zijn verkrijgbaar in de grootste productcategorieën. Binnen de twee 5G-frequentiebanden (3.3-3.6 GHz en 4.8-5 GHz) die door het Ministerie van Industrie en Informatietechnologie van mijn land zijn aangekondigd, heeft Qorvo de meeste productcategorieën RF-versterkers gelanceerd, met een maximaal vermogen van respectievelijk 100 W en 80 W (het hoogste vermogen van Qorvo's 4.8-5 GHz-producten was in januari 60 W). Het hoogste vermogen van ADI's 4.8-5 GHz-producten is gestegen tot 50 W (het maximale vermogen van eerdere producten was minder dan 40 W), terwijl het vermogen van de overige producten meestal onder de 50 W ligt.

▌Belangrijkste bedrijven en productontwikkelingen in de GaN RF-componentenindustrie op het vasteland van China  

Uit bezorgdheid over het tempo van de technologische ontwikkeling van mijn land en met het idee de ontwikkeling van nieuwe materiaaltechnologie in mijn land te belemmeren, hebben Europese en Amerikaanse landen een bijna volledige technologische en materiële blokkade tegen mijn land ingesteld wat betreft halfgeleidermaterialen van de derde generatie.

Onder deze omstandigheden hebben de wetenschappelijke onderzoeksinstellingen en bedrijven van mijn land, gebaseerd op onafhankelijke innovatie, opmerkelijke resultaten behaald op het gebied van GaN-microgolfradiofrequentie. Ze hebben doorbraken gerealiseerd in de militaire en defensiesector en de civiele communicatie, en hebben belangrijke bedrijven zoals CETC 13, CETC 55, ZTE en Datang Mobile voortgebracht, evenals grote klanten zoals China Mobile en China Unicom.

Suzhou Nengxun heeft RF-vermogenstransistors gelanceerd met frequenties tot 6 GHz, een bedrijfsspanning van 48 V en een ontwerpvermogen van 10 W tot 320 W.

In terms of mobile communications, Suzhou Nengxun can already provide high-efficiency and high-gain RF power amplifier tubes suitable for mobile communications applications such as LTE, 4G, and 5G. The operating frequency covers 1.8-3.8GHz, the operating voltage is 48V, the design power ranges from 130W-390W, and the average power is 16W-55W.

Disclaimer: Dit artikel is overgenomen uit "GaN World". Dit artikel geeft uitsluitend de persoonlijke mening van de auteur weer en vertegenwoordigt niet de standpunten van Sacco Micro en de industrie. Het wordt alleen overgenomen en gedeeld ter ondersteuning van de bescherming van intellectuele eigendomsrechten. Vermeld bij overname de oorspronkelijke bron en auteur. Neem bij inbreuk contact met ons op zodat we het artikel kunnen verwijderen.

Telefoonnummer van het bedrijf: +86-0755-83044319
Fax: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
Vraag: 3518641314 Manager Li

Vraag: 332496225 Manager Qiu

Adres: Kamer 809, Gebouw C, Zhantao Technologiegebouw, Minzhilaan 1079, Longhua Nieuw District, Shenzhen