W raporcie „Gallium Nitride RF Market 2021: Applications, Major Players, Technologies and Substrates” Yole przewiduje, że rynek urządzeń RF z azotku galu (GaN) będzie rósł ze średnioroczną stopą wzrostu (CAGR) na poziomie 18%, z 891 mln USD w 2020 r. do ponad 2.4 mld USD w 2026 r.
Na rynku będą dominować aplikacje związane z infrastrukturą obronną i 5G, które do 2026 r. będą stanowić odpowiednio 49% i 41% całego rynku. W szczególności segment makro/mikrokomórkowy oparty na technologii GaN będzie stanowił ponad 95% rynku infrastruktury telekomunikacyjnej GaN w 2026 r.  W porównaniu z półprzewodnikami pierwszej generacji (na bazie krzemu), półprzewodniki trzeciej generacji charakteryzują się szeroką przerwą energetyczną, wysoką przewodnością elektryczną i wysoką przewodnością cieplną. Charakteryzują się wysokim krytycznym polem elektrycznym przebicia, wysoką ruchliwością elektronów i dobrą charakterystyką częstotliwościową. Azotek galu (GaN) jest najbardziej reprezentatywnym materiałem półprzewodnikowym trzeciej generacji i stał się jednym z preferowanych materiałów do urządzeń mikrofalowych o wysokiej temperaturze, częstotliwości i dużej mocy. Jest to system materiałowy o najwyższej jak dotąd teoretycznej wydajności konwersji elektrooptycznej i fotoelektrycznej. Doskonałe właściwości azotku galu:

Obecnie dwie trzecie urządzeń GaN stosuje się w elektronice wojskowej, na przykład w łączności wojskowej, elektronice, systemach interferencji, radarach i innych dziedzinach; w zastosowaniach cywilnych azotek galu stosuje się głównie w stacjach bazowych, urządzeniach energetycznych i innych dziedzinach.

W ciągu najbliższych pięciu lat urządzenia elektroniczne bazujące na materiałach półprzewodnikowych trzeciej generacji będą szeroko stosowane w stacjach bazowych 5G, pojazdach o nowej energii, pojazdach UHV, centrach danych i innych zastosowaniach.

       

Technologia RF GaN

Idealnie pasuje do 5G

Przerwa energetyczna azotku galu wynosi 3.4 eV, podczas gdy przerwa energetyczna krzemu, obecnie najpopularniejszego materiału półprzewodnikowego, wynosi 1.12 eV. Dlatego azotek galu charakteryzuje się lepszą wydajnością niż komponenty krzemowe w komponentach dużej mocy i dużej szybkości.
Azotek galu od zawsze znany był ze swoich możliwości przetwarzania dużej mocy. Jest to wzmacniacz preferowany w urządzeniach komunikacji bezprzewodowej, takich jak stacje bazowe, radary i awionika. Od wielu lat jest również stosowany w systemach komunikacji 4G. W systemie komunikacji mobilnej 5G prędkość transmisji danych stacji bazowych i terminali telefonii komórkowej jest szybsza niż w 4G, a wykorzystanie widma przez technologię modulacji jest wyższe, co stawia wyższe wymagania dla komponentów i modułów radiowych. Ponadto azotek galu jest mniej wrażliwy na promieniowanie elektromagnetyczne, a komponenty wykonane z azotku galu wykazują wysoką stabilność w środowiskach narażonych na promieniowanie. W porównaniu z tranzystorami z arsenku galu (GaAs), tranzystory z azotku galu mogą pracować w znacznie wyższych temperaturach i napięciach, co czyni je idealnymi komponentami do wzmacniania mocy w zakresie częstotliwości mikrofalowych. Jako materiał półprzewodnikowy trzeciej generacji, azotek galu jest badany i stosowany od ponad 20 lat, ale dopiero w ostatnich latach zaczęły pojawiać się perspektywy jego komercyjnego rozwoju. 5G jest niewątpliwie jedną z głównych sił napędowych tej technologii. Interfejs radiowy komunikacji 5G ma surowe wymagania dotyczące wysokiej częstotliwości i wysokiej wydajności, a właśnie tutaj pojawia się azotek galu. Ponadto, zapotrzebowanie na szybkie i wydajne ładowanie elektryfikacji samochodów i przenośnych urządzeń elektronicznych będzie napędzać masowe upowszechnianie się komponentów zasilających z azotku galu, stopniowo zastępując tradycyjne krzemowe komponenty zasilające.

▲Tabela porównawcza tranzystorów mocy RF z różnymi systemami materiałowymi

▲Struktura urządzenia GaNHEMT▌Wysoka moc wyjściowa i wysoka dodatkowa sprawność  

Materiały GaN łatwo tworzą heterozłącza, takie jak AlGaN/GaN. Na interfejsie heterozłącza występują niezwykle silne efekty polaryzacji spontanicznej i piezoelektrycznej. Indukowane dwuwymiarowe stężenie elektronów w gazie jest bardzo wysokie i charakteryzuje się ruchliwością elektronów sięgającą 2000 cm²/V·s. Dlatego tranzystory oparte na heterostrukturach GaN nazywane są również tranzystorami o wysokiej ruchliwości elektronów, a konkretnie GaNHEMT (HighElectronMobilityTransistor). Jednocześnie, wytrzymałość pola przebicia materiału GaN jest wysoka, kilkakrotnie wyższa niż Si i GaAs; przewodność cieplna półizolacyjnego podłoża SiC stosowanego w urządzeniach GaNHEMT jest lepsza niż przewodność cieplna miedzi metalicznej, a jego dobre właściwości rozpraszania ciepła sprzyjają pracy z dużą mocą; GaNHEMT charakteryzuje się również niską pojemnością pasożytniczą i wysokim napięciem przebicia, co jest bardzo przydatne w realizacji wysokosprawnych wzmacniaczy mocy (PA, PowerAmplifier).

▌Duża szerokość impulsu, wysoki współczynnik wypełnienia  

GaNHEMT jest zazwyczaj wytwarzany epitaksjalnie na podłożu SiC z materiału o szerokiej przerwie energetycznej, półizolacyjnym. Odpowiednia kontrola gęstości mocy GaNHEMT pozwala na łatwe osiągnięcie długiej szerokości impulsu, wysokiego współczynnika wypełnienia i może być stosowana w trybie ciągłej fali o dużej mocy.

▌Szerokość pasma częstotliwości roboczej, wysoka częstotliwość  

Częstotliwość odcięcia GaNHEMT bezpośrednio determinuje częstotliwość roboczą i chwilową szerokość pasma jego zastosowania. Rośnie ona wraz ze wzrostem stężenia domieszkowania w kanale i maleje wraz ze wzrostem grubości kanału i długości bramki. Ze względu na ograniczenie energii pasma zabronionego półprzewodnika krzemowego, jego częstotliwość odcięcia jest niska, więc częstotliwość robocza półprzewodnikowych elementów mocy z krzemu może działać tylko poniżej pasma S. Elementy GaAs charakteryzują się znacznie lepszą ruchliwością nośników niż inne elementy i wysoką częstotliwością odcięcia. Są one jednak ograniczone przez natężenie pola przebicia i mają niskie napięcie robocze, co skutkuje niską mocą wyjściową urządzenia. GaNHEMT charakteryzuje się szeroką przerwą energetyczną, wysokim natężeniem pola przebicia i wysoką prędkością dryfu elektronów nasyconych, co kompensuje tę niedogodność i zapewnia dobrą wydajność w zakresie wysokich częstotliwości. GaNHEMT może pracować przy wyższych częstotliwościach, jednocześnie charakteryzując się wysoką mocą wyjściową. Ponadto naturalne właściwości GaNHEMT sprawiają, że jego impedancja wejściowa i wyjściowa jest wyższa, a dopasowanie impedancji szerokopasmowej obwodu jest łatwiejsze do osiągnięcia, co sprawia, że ​​GaNHEMT nadaje się do zastosowań szerokopasmowych.

▲Zakres częstotliwości pracy urządzeń RF w różnych systemach materiałowych▌Wysoka odporność na promieniowanie i duża zdolność adaptacji do środowiska  

GaN to niezwykle stabilny związek o silnych wiązaniach atomowych, wysokiej przewodności cieplnej, najwyższym stopniu jonizacji wśród związków III-V oraz dobrej stabilności chemicznej, co sprawia, że ​​urządzenia GaN są bardziej odporne na promieniowanie niż Si i GaAs. Jednocześnie GaN to materiał o wysokiej temperaturze topnienia i wysokiej przewodności cieplnej. Urządzenia zasilające GaN zazwyczaj wykorzystują jako podłoże SiC o lepszej przewodności cieplnej, dzięki czemu urządzenia zasilające GaN mają wyższą temperaturę złącza i mogą pracować w środowiskach o wysokiej temperaturze.

parametr	Si	GaAs	GaN
Szerokość przerwy energetycznej (eV)	1.1	1.4	3.4
Stała dielektryczna	11.8	12.8	9.0
Siła pola przebicia (106V/cm)	0.6	0.7	3.5
Przewodność cieplna (W/cm.K)	1.3	0.5	1.3
Ruchliwość elektronów (cm2/Vs)	1450	8500	900
Prędkość elektronów nasycenia (107 cm/s)	1.0	2.0	2.7

▲Kluczowe właściwości głównych materiałów półprzewodnikowych

Urządzenia RF GaN

w różnych zastosowaniachZalety wydajności

Stacje bazowe komunikacji mobilnej to jedno z głównych zastosowań urządzeń radiowych GaN. W porównaniu z 4G, pasmo częstotliwości komunikacyjnych sieci 5G zostało przeniesione do pasm wysokich częstotliwości. Obecnie pasmo częstotliwości komunikacyjnych sieci 4G w moim kraju to głównie 2.6 GHz. W 2017 roku Ministerstwo Przemysłu i Technologii Informacyjnych opublikowało plan wykorzystania częstotliwości dla systemów 5G w paśmie częstotliwości 3-5 GHz (pasmo średnich częstotliwości). W przyszłości pasma wysokich częstotliwości powyżej 6 GHz będą stopniowo dodawane w celu zwiększenia pokrycia przepustowości.

W porównaniu z SiLDMOS i GaAs, urządzenia RF GaN w stacji bazowej mogą skuteczniej spełniać wymagania sieci 5G dotyczące wysokiej mocy, pasma częstotliwości komunikacyjnych i wysokiej wydajności. Chociaż SiLDMOS może generować dużą moc wyjściową, pod względem częstotliwości jest on efektywny jedynie w zakresie częstotliwości nieprzekraczającym 3.5 GHz. Chociaż częstotliwość wzmacniaczy mocy GaAs można zwiększyć, są one znacznie gorsze od urządzeń GaN pod względem mocy wyjściowej. Dlatego w przypadku komunikacji 5G, która wymaga wysokiej mocy, wysokiej częstotliwości i szerokiego pasma, wzmacniacze mocy GaN są najlepszym wyborem dla stacji bazowych.

▌Zastosowania wojskowe – zalety azotku galu w systemach radarowych i walki elektronicznej  

Największym rynkiem zbytu dla urządzeń wykorzystujących azotek galu o częstotliwości radiowej jest obecnie sektor wojskowy i lotniczy. Około piętnaście lat temu, dzięki finansowaniu Departamentu Obrony USA, naukowcy zaczęli inwestować w technologię azotku galu o częstotliwości radiowej, co dało początek obecnemu rynkowi urządzeń wykorzystujących azotek galu o częstotliwości radiowej.

Według statystyk Strategy Analytics, zastosowania w obronności i lotnictwie stanowią 40% całkowitego rynku azotku galu RF, a największymi rynkami zastosowań azotku galu RF są systemy radarowe i walki elektronicznej.

W marcu 2017 roku firma Raytheon ogłosiła, że ​​jej system obrony przeciwrakietowej Patriot został wyposażony w najnowszy system antenowy oparty na technologii azotku galu. Patriot Missile Defense to naziemny system obrony przeciwrakietowej zdolny do przechwytywania pocisków balistycznych, dronów i samolotów.

▲Rakieta Patriot

Technologia radarowa stosowana w starym systemie Patriot nosiła nazwę pasywnej anteny ze skanowaniem elektronicznym. Nowy system radarowy został zastąpiony aktywną anteną ze skanowaniem elektronicznym (AESA). Aktywna antena ze skanowaniem elektronicznym zapewni systemowi Patriot 360-stopniowy zasięg radaru.

„Raytheon uważa, że ​​modernizacja do aktywnego radaru z elektronicznym skanowaniem, opartego na technologii azotku galu, pozwoli systemowi Patriot utrzymać przewagę nad nowymi rodzajami broni ofensywnej” — powiedział Tim Glaeser, wiceprezes ds. rozwoju biznesu w Raytheon Air and Missile Integrated Defense.

Aktywny radar z elektronicznym skanowaniem antenowym oparty jest na technologii anten fazowanych. Urządzenie z antenami fazowanymi zawiera grupę anten, którymi można sterować indywidualnie. Dzięki technologii formowania wiązki, grupa anten może być obracana w różnych kierunkach.

Warto zauważyć, że technologie te przechodzą z zastosowań wojskowych do komercyjnych. Na przykład, technologie aktywnego elektronicznego skanowania anten i anten fazowanych zostały wykorzystane w technologii Wi-Fi 60 GHz, w samochodowych systemach radarowych i bezprzewodowych stacjach bazowych. Ponadto technologia anten fazowanych będzie szeroko stosowana w sieci 5G.

W tym samym czasie wzmacniacze mocy wykonane w technologii azotku galu znalazły zastosowanie także w wojskowych radiotelefonach przenośnych do komunikacji typu punkt-punkt.

▌Zastosowania komercyjne – zalety azotku galu w zarządzaniu energią  

Azotek galu to materiał półprzewodnikowy o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), który umożliwia elementom mocy pracę przy wyższych napięciach, częstotliwościach i temperaturach niż tradycyjne krzemowe materiały półprzewodnikowe. W zastosowaniach z zakresu zarządzania energią, azotek galu oferuje następujące zalety:

• Straty przewodzenia są niewielkie, a sprawność energetyczna wysoka. Rezystancja w stanie przewodzenia (Rds,on) tranzystorów azotku galu jest o połowę niższa niż w tradycyjnych elementach krzemowych, co przekłada się na mniejsze straty i wyższą sprawność energetyczną przy tym samym prądzie wyjściowym. Niska stratność oznacza również niskie wydzielanie ciepła, co może skutecznie uprościć projektowanie elementów rozpraszających ciepło i systemów zarządzania temperaturą.

• W tranzystorze azotku galu nie ma diody podłożowej i nie występują straty związane z odzyskiem wstecznym;

• Ładunek wejściowy tranzystorów GaN jest bardzo mały, a straty sterowania bramką są praktycznie zerowe;

• Elementy mocy wykonane z azotku galu mogą obsługiwać wyższe częstotliwości przełączania (azotek galu: 1 MHz, krzem: <100 kHz), co pozwala na zmniejszenie rozmiaru elementów pasywnych;

• Gęstość mocy komponentów azotku galu jest bardzo wysoka, sięgając ponad czterokrotnie większej niż w przypadku LDMOS na bazie krzemu. Pozwala to na zwiększenie mocy wyjściowej przy jednoczesnym zmniejszeniu rozmiaru.

  
  

     

Chen Qingyuan, starszy menedżer ds. marketingu w dziale zarządzania energią i multielektroniki w Infineon w Chinach, porównał zalety i wady azotku galu i SiC, materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji. Oba charakteryzują się szybkim przełączaniem i przyczyniają się do poprawy wydajności, ale azotek galu charakteryzuje się mniejszymi stratami niż krzem.

Dalsze porównanie scenariuszy zastosowań pokazuje, że w zastosowaniach o dużej mocy i wyższym napięciu SiC wykazuje dobrą dojrzałość i opłacalność; natomiast w zastosowaniach nisko- i średnionapięciowych, od 100 V do 600 V, azotek galu może osiągnąć wyższą opłacalność. Z punktu widzenia strukturalnego, azotek galu jest strukturą boczną (taką jak tranzystor JFET) i trudno jest osiągnąć zdolność do pracy przy wysokim napięciu, jaką ma SiCMOSFET (struktura pionowa).

Azotek galu jest bardziej atrakcyjny dla przełączników, które są z natury normalnie wyłączone i stanowi następcę wszystkich dotychczas stosowanych tranzystorów krzemowych. Ponadto, z perspektywy całego systemu, zaletą GaN jest to, że pozwala on na bardziej zwartą topologię.

Seria produktów CoolGaN opracowana przez firmę Infineon to tranzystory z azotku galu o wysokiej ruchliwości elektronów (E-HEMT) z trybem wzbogacania, doskonale nadające się do przełączania wyższych częstotliwości przy wysokim napięciu. Pozwala to na uzyskanie cieńszej konstrukcji i jeszcze większy wzrost gęstości mocy, co przekłada się na jeszcze większą wydajność konwersji i obniżenie kosztów całego systemu.

Yong Ang, dyrektor ds. marketingu strategicznego w ON Semiconductor, wyjaśnił, że komponenty wykonane z azotku galu charakteryzują się niższą pojemnością pasożytniczą niż komponenty krzemowe, dzięki czemu mogą zmniejszyć straty przełączania związane z ładunkiem bramki Qg i zwiększyć częstotliwość przełączania do zakresu od setek kHz do MHz bez obniżania efektywności energetycznej.

W przeciwieństwie do krzemowych elementów mocy, azotek galu nie posiada diody korpusowej. Dwuwymiarowy gaz elektronowy (2DEG) na powierzchni granicznej azotku galu i glinu (AlGaN)/azotku galu może przewodzić prąd w kierunku przeciwnym, ale nie występuje w nim ładunek zwrotny QRR, co czyni go idealnym do zastosowań wymagających przełączania.

Ze względu na wrażliwość azotku galu na przepięcia i bardzo ograniczoną zdolność do lawinowego działania w porównaniu z krzemem, jest on szczególnie odpowiedni do topologii półmostkowych, w których napięcie dren-źródło jest ograniczone do napięcia szyny. Azotek galu jest bardzo przydatny w topologiach przełączania beznapięciowego (ZVS), takich jak rezonansowy LLC, aktywny układ flyback i twardy układ PFC totem pole.

▲Ewolucja technologii urządzeń o częstotliwości radiowej w różnych obszarach zastosowań

Globalne urządzenia RF GaN

Krajobraz konkurencji w łańcuchu branżowym

Obecnie głównymi rynkami zbytu urządzeń radiowych są: rynek telefonów komórkowych i modułów komunikacyjnych, stanowiący ok. 80%; rynek routerów WIFI, stanowiący ok. 9%; rynek stacji bazowych, stanowiący ok. 9%; rynek NB-IoT, stanowiący ok. 2%.

▌Kluczowe firmy i postęp w zakresie produktów w zagranicznym łańcuchu branżowym urządzeń radiowych GaN  

Wprowadzenie na rynek urządzeń mikrofalowych RF z GaN znacznie przyspieszyło. Chociaż dziedzina mikrofalowych częstotliwości radiowych cieszy się obecnie dużym zainteresowaniem, ze względu na wysoki poziom techniczny i nadmierne bariery patentowe, w porównaniu z branżą elektroniki mocy i optoelektroniki, niewiele jest firm działających w tej dziedzinie, ale większość z nich dysponuje silnym potencjałem badawczym i rynkowym. Podaż komercyjnych urządzeń mikrofalowych RF z GaN dynamicznie rośnie.

Produkty Qorvo charakteryzują się najszerszym zakresem częstotliwości roboczej, a produkty Skyworks – niższym. Moc wyjściowa 73% produktów Qorvo, CREE i MACOM mieści się w przedziale od 10 W do 100 W, a maksymalna moc sięga 1500 W (częstotliwość robocza 1.0–1.1 GHz, wytwarzana przez Qorvo). Zastosowana technologia to głównie połączenie GaN/SiC GaN.

Ponadto niektóre firmy oferują moduły RF GaN. Obecnie sprzedażą wzmacniaczy RF GaN zajmują się cztery firmy. Wśród nich produkty Qorvo charakteryzują się najszerszym zakresem częstotliwości roboczych, a maksymalna częstotliwość robocza może sięgać 31 GHz. Produkty Skyworks działają na niższych częstotliwościach, głównie w zakresie 0.05–1.218 GHz.

Wzmacniacze RF Qorvo są dostępne w największych kategoriach produktów. W dwóch pasmach częstotliwości 5G (3.3-3.6 GHz i 4.8-5 GHz), ogłoszonych przez Ministerstwo Przemysłu i Technologii Informacyjnych mojego kraju, Qorvo wprowadziło na rynek najwięcej kategorii wzmacniaczy RF, z najwyższą mocą sięgającą odpowiednio 100 W i 80 W (najwyższa moc produktów Qorvo 4.8-5 GHz w styczniu wynosiła 60 W), a najwyższa moc produktów ADI 4.8-5 GHz wzrosła do 50 W (maksymalna moc poprzednich produktów wynosiła poniżej 40 W). Moc pozostałych produktów jest przeważnie poniżej 50 W.

▌Kluczowe firmy i postęp w produkcji urządzeń GaN RF na kontynencie  

Z powodu obaw o tempo rozwoju technologicznego mojego kraju i chęci ograniczenia rozwoju nowych technologii materiałowych w moim kraju, kraje europejskie i amerykańskie nałożyły na mój kraj niemal całkowitą blokadę technologiczną i materiałową w zakresie materiałów półprzewodnikowych trzeciej generacji.

W tej sytuacji instytucje naukowo-badawcze i jednostki biznesowe mojego kraju opierają się na niezależnych innowacjach i osiągnęły znakomite wyniki w dziedzinie mikrofalowych częstotliwości radiowych GaN. Dokonały przełomu w dziedzinie wojskowości i obronności oraz komunikacji cywilnej, tworząc kluczowe przedsiębiorstwa, takie jak CETC 13, CETC 55, ZTE, Datang Mobile, oraz głównych klientów, takich jak China Mobile i China Unicom.

Firma Suzhou Nengxun wprowadziła na rynek tranzystory mocy RF o częstotliwościach do 6 GHz, napięciu roboczym 48 V i mocy projektowej od 10 W do 320 W.

W zakresie komunikacji mobilnej, Suzhou Nengxun oferuje już lampy wzmacniaczy mocy RF o wysokiej sprawności i wzmocnieniu, odpowiednie do zastosowań w komunikacji mobilnej, takich jak LTE, 4G i 5G. Częstotliwość pracy obejmuje 1.8-3.8 GHz, napięcie robocze 48 V, moc projektowa 130-390 W, a średnia moc 16-55 W.

Zastrzeżenie: Niniejszy artykuł został przedrukowany z „GaN World”. Artykuł ten przedstawia wyłącznie osobiste poglądy autora i nie reprezentuje poglądów Sacco Micro ani branży. Jest on przedrukowywany i udostępniany wyłącznie w celu ochrony praw własności intelektualnej. Prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przy przedruku. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia artykułu.

Numer telefonu firmy: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Menedżer Li

QQ: 332496225 Menedżer Qiu

Adres: Pokój 809, Budynek C, Budynek Technologii Zhantao, nr 1079 Minzhi Avenue, Nowa Dzielnica Longhua, Shenzhen