A Yole prevê no relatório "Mercado de RF de Nitreto de Gálio 2021: Aplicações, Principais Empresas, Tecnologias e Substratos" que o mercado de dispositivos de RF de nitreto de gálio (GaN) está crescendo a uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 18%, passando de US$ 891 milhões em 2020 para mais de US$ 2.4 bilhões em 2026.
O mercado será dominado por aplicações de infraestrutura de defesa e telecomunicações 5G, representando 49% e 41% do mercado total, respectivamente, até 2026. Em particular, o segmento de macro/microcelulares baseado em GaN representará mais de 95% do mercado de infraestrutura de telecomunicações GaN em 2026.  Em comparação com os semicondutores de primeira geração (à base de silício), os semicondutores de terceira geração apresentam um grande gap de banda, alta condutividade elétrica e alta condutividade térmica. Eles possuem características como alto campo elétrico de ruptura crítico, alta mobilidade eletrônica e boas características de frequência. O nitreto de gálio (GaN) é o material semicondutor de terceira geração mais representativo e tornou-se um dos materiais preferidos para dispositivos de micro-ondas de alta temperatura, alta frequência e alta potência. É o sistema de materiais com a maior eficiência teórica de conversão eletro-óptica e fotoelétrica até o momento. Excelentes características do nitreto de gálio:

Atualmente, dois terços dos dispositivos de GaN são usados ​​em eletrônica militar, como comunicações militares, eletrônica, interferência, radar e outras áreas; na área civil, o nitreto de gálio é usado principalmente em estações base de comunicação, dispositivos de energia e outros campos.

Nos próximos cinco anos, dispositivos eletrônicos baseados em materiais semicondutores de terceira geração serão amplamente utilizados em estações base 5G, veículos de novas energias, UHV (ultra-alto vácuo), centros de dados e outros cenários.

       

Tecnologia RF GaN

É a combinação perfeita para o 5G.

A banda proibida do nitreto de gálio é de 3.4 eV, enquanto a do silício, o material semicondutor mais utilizado atualmente, é de 1.12 eV. Portanto, o nitreto de gálio apresenta melhor desempenho do que os componentes de silício em aplicações de alta potência e alta velocidade.
O nitreto de gálio sempre foi conhecido por sua alta capacidade de processamento de potência. É o amplificador preferido para equipamentos de comunicação sem fio, como estações base, radares e aviônicos. Também tem sido usado em sistemas de comunicação 4G há muitos anos. No sistema de comunicação móvel 5G, a taxa de transmissão de dados das estações base e dos terminais de telefonia móvel é mais rápida do que a do 4G, e a utilização do espectro da tecnologia de modulação é maior, o que impõe requisitos mais elevados para componentes e módulos de radiofrequência. Além disso, o nitreto de gálio é menos sensível à radiação eletromagnética e seus componentes apresentam alta estabilidade em ambientes de radiação. Comparado aos transistores de arseneto de gálio (GaAs), os transistores de nitreto de gálio podem operar em temperaturas e tensões muito mais altas, tornando-os componentes ideais para amplificação de potência em frequências de micro-ondas. Como um material semicondutor de terceira geração, o nitreto de gálio tem sido pesquisado e aplicado há mais de 20 anos, mas somente nos últimos anos suas perspectivas de desenvolvimento comercial começaram a surgir. O 5G é, sem dúvida, uma das principais forças motrizes por trás disso. A interface de radiofrequência das comunicações 5G possui requisitos rigorosos de alta frequência e alta eficiência, e é aí que o nitreto de gálio entra em cena. Além disso, a demanda por carregamento rápido e eficiente para veículos elétricos e dispositivos eletrônicos portáteis também impulsionará a entrada dos componentes de potência de nitreto de gálio no mercado de massa, substituindo gradualmente os componentes de potência de silício tradicionais.

▲Tabela comparativa de transistores de potência de RF com diferentes sistemas de materiais

▲Estrutura do dispositivo GaNHEMT▌Alta potência de saída e alta eficiência adicional.  

Os sistemas de materiais GaN são fáceis de formar sistemas de heterojunção, como AlGaN/GaN. Há fortes efeitos de polarização espontânea e polarização piezoelétrica na interface da heterojunção. A concentração de gás de elétrons bidimensional induzida é muito alta e apresenta uma mobilidade eletrônica de até 2000 cm²/V·s. Portanto, os transistores baseados em heteroestruturas de GaN também são chamados de transistores de alta mobilidade eletrônica, ou GaNHEMT (HighElectronMobilityTransistor). Ao mesmo tempo, a rigidez dielétrica do GaN é alta, várias vezes maior que a do Si e do GaAs; a condutividade térmica do substrato semi-isolante de SiC usado em dispositivos GaNHEMT é melhor que a do cobre metálico, e suas boas características de dissipação de calor são favoráveis ​​à operação em alta potência; o GaNHEMT também apresenta baixa capacitância parasita e alta tensão de ruptura, sendo muito adequado para a implementação de amplificadores de potência (PA, PowerAmplifier) ​​de alta eficiência.

▌Largura de pulso longa, ciclo de trabalho alto  

O GaNHEMT é geralmente cultivado epitaxialmente em um substrato semi-isolante de SiC, um material de banda proibida larga. O controle adequado da densidade de potência do GaNHEMT permite alcançar facilmente pulsos de longa duração, altos ciclos de trabalho e operação contínua de alta potência.

▌Largura de banda de frequência de trabalho, alta frequência  

A frequência de corte do GaNHEMT determina diretamente a frequência de operação e a largura de banda instantânea de sua aplicação. Ela aumenta com o aumento da concentração de dopagem do canal e diminui com o aumento da espessura do canal e do comprimento da porta. Devido à limitação da energia da banda proibida do material semicondutor de silício (Si), sua frequência de corte é baixa, de modo que a frequência de operação dos dispositivos de potência de Si só pode operar abaixo da banda S. Os dispositivos de GaAs possuem mobilidade de portadores muito superior à de outros dispositivos e uma alta frequência de corte. No entanto, são limitados pela rigidez dielétrica e apresentam baixa tensão de operação, resultando em baixa potência de saída. O GaNHEMT possui características como ampla energia de banda proibida, alta rigidez dielétrica e alta velocidade de deriva de elétrons na saturação, o que compensa essa deficiência e proporciona bom desempenho em altas frequências. O GaNHEMT pode operar em frequências mais altas e, ao mesmo tempo, apresentar alta potência de saída. Além disso, as características inerentes do GaNHEMT tornam sua impedância de entrada e saída mais elevada, e a adaptação de impedância de banda larga do circuito é mais fácil de alcançar, tornando o GaNHEMT adequado para aplicações de banda larga.

▲Faixa de operação em frequência de potência de dispositivos de radiofrequência em diferentes sistemas de materiais▌Alta resistência à radiação e grande adaptabilidade ambiental.  

O GaN é um composto extremamente estável com fortes ligações atômicas, alta condutividade térmica, o maior grau de ionização entre os compostos III-V e boa estabilidade química, tornando os dispositivos de GaN mais resistentes à radiação do que os de Si e GaAs. Ao mesmo tempo, o GaN é um material com alto ponto de fusão e alta condutividade térmica. Os dispositivos de potência de GaN geralmente utilizam SiC, que possui melhor condutividade térmica, como substrato, o que lhes confere uma temperatura de junção mais alta e permite sua operação em ambientes de alta temperatura.

parâmetro	Si	GaAs	GaN
Largura da banda proibida (eV)	1.1	1.4	3.4
Constante dielétrica	11.8	12.8	9.0
Intensidade do campo de ruptura (106V/cm)	0.6	0.7	3.5
Condutividade térmica (W/cm.K)	1.3	0.5	1.3
Mobilidade eletrônica (cm²/Vs)	1450	8500	900
Velocidade de saturação dos elétrons (107 cm/s)	1.0	2.0	2.7

▲Propriedades principais dos principais materiais semicondutores

Dispositivos de RF de GaN

em diversas aplicaçõesVantagens de desempenho

As estações base de comunicação móvel são uma das principais aplicações dos dispositivos de radiofrequência GaN. Comparada ao 4G, a banda de frequência de comunicação do 5G migrou para bandas de alta frequência. Atualmente, a banda de frequência de comunicação da rede 4G no meu país é principalmente de 2.6 GHz. Em 2017, o Ministério da Indústria e Tecnologia da Informação divulgou um plano de utilização de frequências para sistemas 5G na faixa de 3 a 5 GHz (banda de frequência média). No futuro, bandas de alta frequência acima de 6 GHz serão gradualmente adicionadas para ampliar a cobertura.

Em comparação com SiLDMOS e GaAs, os dispositivos de RF de GaN em estações base atendem de forma mais eficaz aos requisitos de alta potência, alta largura de banda de comunicação e alta eficiência do 5G. Embora o SiLDMOS possa fornecer alta potência, em termos de frequência, sua eficácia se restringe a uma faixa espectral de no máximo 3.5 GHz. Apesar de os amplificadores de potência de GaAs poderem operar em frequências mais altas, sua potência de saída é significativamente inferior à dos dispositivos de GaN. Portanto, para comunicações 5G que exigem alta potência, alta frequência e ampla largura de banda, os amplificadores de potência de GaN são a melhor opção para estações base.

▌Aplicações militares – Vantagens do nitreto de gálio em sistemas de radar e guerra eletrônica  

O maior mercado para dispositivos de nitreto de gálio para radiofrequência está atualmente nos setores militar e aeroespacial. Há cerca de quinze anos, com financiamento do Departamento de Defesa dos EUA, pesquisadores começaram a investir em tecnologia de nitreto de gálio para radiofrequência, o que deu origem ao atual mercado de dispositivos desse tipo.

Segundo estatísticas da Strategy Analytics, as aplicações de defesa e aeroespaciais representam 40% do tamanho total do mercado de nitreto de gálio para radiofrequência (RF), sendo os sistemas de radar e guerra eletrônica os maiores mercados de aplicação para esse material.

Em março de 2017, a Raytheon anunciou que seu sistema de defesa antimíssil Patriot adotou o mais recente sistema de antenas baseado na tecnologia de nitreto de gálio. O Patriot Missile Defense é um sistema de defesa antimíssil terrestre capaz de interceptar mísseis balísticos, drones e aeronaves.

▲Míssil Patriot

A tecnologia de radar usada no antigo sistema Patriot era chamada de matriz passiva de varredura eletrônica. O novo sistema de radar foi alterado para uma matriz ativa de varredura eletrônica (AESA). A matriz ativa de varredura eletrônica proporcionará ao sistema Patriot capacidades de radar de 360 ​​graus.

"A Raytheon acredita que a atualização para um radar de varredura eletrônica ativa baseado na tecnologia de nitreto de gálio permitirá que o sistema Patriot mantenha sua vantagem contra novas armas ofensivas", disse Tim Glaeser, vice-presidente de desenvolvimento de negócios da Raytheon Air and Missile Integrated Defense.

O radar de varredura eletrônica ativa (AESA) é baseado na tecnologia de matrizes de fase. O dispositivo de matriz de fase contém um grupo de antenas que podem ser controladas individualmente. Utilizando a tecnologia de formação de feixe, o grupo de antenas pode ser direcionado em diferentes direções.

Vale ressaltar que essas tecnologias estão migrando do uso militar para o comercial. Por exemplo, as tecnologias de matriz eletrônica de varredura ativa (AESA) e de matriz de fase (phased array) têm sido utilizadas em tecnologias Wi-Fi de ondas milimétricas de 60 GHz, sistemas de radar automotivos e estações base sem fio. Além disso, a tecnologia de matriz de fase será amplamente utilizada no 5G.

Ao mesmo tempo, amplificadores de potência fabricados com tecnologia de nitreto de gálio também têm sido usados ​​em rádios portáteis militares para comunicações ponto a ponto.

▌Aplicações comerciais - Vantagens de desempenho do nitreto de gálio no gerenciamento de energia  

O nitreto de gálio é um material semicondutor de banda proibida larga (WBG) que permite que componentes de potência operem em tensões, frequências e temperaturas mais elevadas do que os materiais semicondutores de silício tradicionais. Em aplicações de gerenciamento de energia, as vantagens do nitreto de gálio incluem:

• A perda por condução é pequena e a eficiência energética é alta. A resistência de condução (Rds,on) dos transistores de nitreto de gálio é metade da dos componentes de silício tradicionais, resultando em menores perdas e maior eficiência energética para a mesma corrente de saída. Baixas perdas também significam baixa geração de calor, o que pode simplificar efetivamente o projeto de componentes de dissipação de calor e sistemas de gerenciamento térmico.

• Não existe diodo de corpo no transistor de nitreto de gálio e não há perda de recuperação reversa;

• A carga de entrada dos transistores GaN é muito pequena e praticamente não há perda no circuito de acionamento do gate;

• Os componentes de potência em nitreto de gálio podem suportar frequências de comutação mais altas (nitreto de gálio: 1 MHz, silício: <100 kHz), reduzindo assim o tamanho dos componentes passivos;

• A densidade de potência dos componentes de nitreto de gálio é muito alta, podendo atingir mais de quatro vezes a dos LDMOS baseados em silício. Isso permite aumentar a potência de saída e, ao mesmo tempo, reduzir o tamanho.

  
  

     

Chen Qingyuan, gerente sênior de marketing da Divisão de Gerenciamento de Energia e Multieletrônica da Infineon para a Grande China, comparou as vantagens e desvantagens do nitreto de gálio e do SiC, ambos materiais semicondutores de terceira geração. Ambos apresentam desempenho de comutação rápida e contribuem para o aumento da eficiência, mas o nitreto de gálio possui perdas menores que o silício.

Uma comparação mais aprofundada em cenários de aplicação mostra que, em aplicações de alta potência e alta tensão, o SiC apresenta boa maturidade e custo-benefício; enquanto em aplicações de baixa e média tensão, de 100 V a 600 V, o nitreto de gálio pode alcançar maior custo-benefício. Do ponto de vista estrutural, o nitreto de gálio possui uma estrutura lateral (como o JFET), sendo difícil atingir a capacidade de alta tensão do SiCMOSFET (estrutura vertical).

O nitreto de gálio é mais atraente para interruptores que são inerentemente normalmente desligados e representa a tecnologia sucessora dos transistores de silício usados ​​até hoje. Além disso, de uma perspectiva geral do sistema, a vantagem do GaN é que ele pode tornar a topologia mais compacta.

A série de produtos CoolGaN, desenvolvida pela Infineon, consiste em transistores de alta mobilidade de elétrons (HEMT) de nitreto de gálio com modo de aprimoramento (E-HEMT), ideais para realizar comutação em frequências mais altas sob alta tensão. Isso permite um design mais fino e aumenta ainda mais a densidade de potência, melhorando a eficiência de conversão e reduzindo o custo total do sistema.

Yong Ang, diretor de marketing estratégico da ON Semiconductor, explicou ainda que os componentes de nitreto de gálio têm capacitância parasita menor do que os componentes de silício, podendo assim reduzir as perdas de comutação relacionadas à carga de porta Qg e aumentar a frequência de comutação para uma faixa de centenas de kHz a MHz sem reduzir a eficiência energética.

Ao contrário dos componentes de potência de silício, o nitreto de gálio não possui um diodo de corpo. O gás de elétrons bidimensional (2DEG) na superfície de interface entre o nitreto de alumínio e gálio (AlGaN) e o nitreto de gálio pode conduzir corrente reversamente, mas não apresenta a característica de recuperação de carga reversa (QRR), tornando-o muito adequado para aplicações de comutação brusca.

Devido à sensibilidade do nitreto de gálio à sobretensão e à sua capacidade de avalanche muito limitada em comparação com o silício, ele é particularmente adequado para topologias de meia ponte, onde a tensão dreno-fonte é limitada à tensão de alimentação. O nitreto de gálio é muito atraente em topologias de comutação por tensão zero (ZVS), como LLC ressonante, flyback com fixação ativa e PFC totem pole com comutação rígida.

▲Evolução das principais rotas tecnológicas de dispositivos de radiofrequência em diferentes campos de aplicação

Dispositivos de RF GaN globais

cenário competitivo da cadeia de suprimentos

Atualmente, os principais mercados para dispositivos de radiofrequência são os seguintes: mercado de telefones celulares e módulos de comunicação, representando cerca de 80%; mercado de roteadores Wi-Fi, representando cerca de 9%; mercado de estações base de comunicação, representando cerca de 9%; mercado de NB-IoT, representando cerca de 2%.

▌Principais empresas e progresso dos produtos na cadeia de valor da indústria de dispositivos de radiofrequência GaN no exterior.  

O lançamento de dispositivos de radiofrequência (RF) de micro-ondas em GaN acelerou significativamente. Embora o campo da radiofrequência de micro-ondas tenha atraído muita atenção atualmente, devido ao alto nível técnico e às excessivas barreiras de patentes, existem poucas empresas nesse setor em comparação com os campos da eletrônica de potência e optoeletrônica. No entanto, a maioria delas possui forte capacidade de pesquisa científica e operação de mercado. O fornecimento comercial de dispositivos de RF de micro-ondas em GaN está crescendo rapidamente.

Os produtos da Qorvo possuem a maior faixa de frequência operacional, enquanto os produtos da Skyworks apresentam uma faixa menor. A potência de saída de 73% dos produtos da Qorvo, CREE e MACOM concentra-se entre 10 W e 100 W, com a potência máxima atingindo 1500 W (frequência operacional de 1.0 a 1.1 GHz, produto da Qorvo). A tecnologia utilizada é principalmente a rota GaN/SiC GaN.

Além disso, algumas empresas fornecem módulos de RF de GaN. Atualmente, quatro empresas comercializam amplificadores de RF de GaN. Entre elas, os produtos da Qorvo possuem a maior faixa de frequência operacional, podendo atingir uma frequência máxima de 31 GHz. Os produtos da Skyworks operam em frequências menores, principalmente entre 0.05 e 1.218 GHz.

Os amplificadores de RF da Qorvo estão disponíveis nas maiores categorias de produtos. Dentro das duas faixas de frequência de operação do 5G (3.3-3.6 GHz e 4.8-5 GHz) anunciadas pelo Ministério da Indústria e Tecnologia da Informação do meu país, a Qorvo lançou o maior número de categorias de produtos de amplificadores de RF, com a maior potência atingindo 100 W e 80 W, respectivamente (a maior potência dos produtos de 4.8-5 GHz da Qorvo em janeiro era de 60 W), e a maior potência dos produtos de 4.8-5 GHz da ADI aumentou para 50 W (a potência máxima dos produtos anteriores era inferior a 40 W), enquanto a potência dos demais produtos é, em sua maioria, inferior a 50 W.

▌Principais empresas e progresso dos produtos na cadeia produtiva de dispositivos de radiofrequência GaN no continente.  

Preocupados com a velocidade do desenvolvimento tecnológico do meu país e com a ideia de frear o desenvolvimento de novas tecnologias de materiais, os países europeus e americanos impuseram um bloqueio tecnológico e de materiais quase completo ao meu país em termos de materiais semicondutores de terceira geração.

Nesse contexto, as instituições de pesquisa científica e as empresas do meu país, baseadas na inovação independente, alcançaram resultados notáveis ​​na área de radiofrequência de micro-ondas de GaN. Elas realizaram avanços significativos nos campos militar e de defesa, bem como no setor de comunicações civis, criando empresas-chave como a CETC 13, a CETC 55, a ZTE e a Datang Mobile, além de grandes clientes como a China Mobile e a China Unicom.

A Suzhou Nengxun lançou transistores de potência de radiofrequência com frequências de até 6 GHz, tensão de operação de 48 V e potência nominal de 10 W a 320 W.

Em termos de comunicações móveis, a Suzhou Nengxun já oferece válvulas amplificadoras de potência de RF de alta eficiência e alto ganho, adequadas para aplicações como LTE, 4G e 5G. A frequência de operação abrange de 1.8 a 3.8 GHz, a tensão de operação é de 48 V, a potência nominal varia de 130 W a 390 W e a potência média é de 16 W a 55 W.

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