В отчете «Рынок радиочастотных устройств на основе нитрида галлия 2021: области применения, основные игроки, технологии и подложки» компания Yole прогнозирует, что рынок радиочастотных устройств на основе нитрида галлия (GaN) будет расти со среднегодовым темпом роста (CAGR) в 18%, с 891 млн долларов США в 2020 году до более чем 2.4 млрд долларов США в 2026 году.
К 2026 году на рынке будут доминировать оборонная промышленность и телекоммуникационная инфраструктура 5G, на долю которых придется 49% и 41% от общего объема рынка соответственно. В частности, сегмент макро/микросотовой связи на основе нитрида галлия (GaN) займет более 95% рынка телекоммуникационной инфраструктуры на основе GaN в 2026 году.  По сравнению с полупроводниками первого поколения (на основе кремния), полупроводники третьего поколения обладают большой шириной запрещенной зоны, высокой электропроводностью и высокой теплопроводностью. Они характеризуются высоким критическим электрическим полем пробоя, высокой подвижностью электронов и хорошими частотными характеристиками. Нитрид галлия (GaN) является наиболее представительным полупроводниковым материалом третьего поколения и стал одним из предпочтительных материалов для высокотемпературных, высокочастотных и мощных микроволновых устройств. Это материальная система с самой высокой теоретической эффективностью электрооптического и фотоэлектрического преобразования на сегодняшний день. Превосходные характеристики нитрида галлия:

В настоящее время две трети устройств на основе нитрида галлия используются в военной электронике, например, в системах связи, электронике, системах защиты от помех, радарах и других областях; в гражданской сфере нитрид галлия в основном используется в базовых станциях связи, силовых устройствах и других областях.

В ближайшие пять лет электронные устройства на основе полупроводниковых материалов третьего поколения будут широко использоваться в базовых станциях 5G, электромобилях, сверхвысоковольтных системах, центрах обработки данных и других областях.

       

Технология RF GaN

Это идеальное решение для 5G.

Ширина запрещенной зоны нитрида галлия составляет 3.4 эВ, в то время как ширина запрещенной зоны кремния, наиболее часто используемого сегодня полупроводникового материала, составляет 1.12 эВ. Следовательно, нитрид галлия обладает лучшими характеристиками, чем кремниевые компоненты, в мощных и высокоскоростных устройствах.
Нитрид галлия всегда славился своими высокими возможностями обработки мощности. Он является предпочтительным усилителем для беспроводного коммуникационного оборудования, такого как базовые станции, радары и авионика. Он также много лет используется в системах связи 4G. В мобильной системе связи 5G скорость передачи данных базовых станций и мобильных телефонных терминалов выше, чем в 4G, а использование спектра в технологии модуляции выше, что предъявляет более высокие требования к радиочастотным компонентам и модулям. Кроме того, нитрид галлия менее чувствителен к электромагнитному излучению, и компоненты из нитрида галлия демонстрируют высокую стабильность в условиях радиации. По сравнению с транзисторами из арсенида галлия (GaAs), транзисторы из нитрида галлия могут работать при гораздо более высоких температурах и напряжениях, что делает их идеальными компонентами для усиления мощности в микроволновом диапазоне. Как полупроводниковый материал третьего поколения, нитрид галлия исследуется и применяется более 20 лет, но только в последние годы начали появляться перспективы его коммерческого развития. Несомненно, 5G является одной из главных движущих сил этого процесса. К радиочастотному интерфейсу 5G предъявляются строгие требования к высокой частоте и эффективности, и именно здесь на помощь приходит нитрид галлия. Кроме того, спрос на быструю и эффективную зарядку автомобильных электромобилей и портативных электронных устройств также будет способствовать выходу силовых компонентов из нитрида галлия на массовый рынок, постепенно вытесняя традиционные кремниевые силовые компоненты.

▲Сравнительная таблица ВЧ силовых транзисторов с различными материальными системами

▲Структура устройства GaNHEMT▌Высокая выходная мощность и высокая дополнительная эффективность  

Материальные системы на основе GaN легко формируют гетеропереходы, такие как AlGaN/GaN. На гетеропереходном интерфейсе наблюдаются чрезвычайно сильные эффекты спонтанной поляризации и пьезоэлектрической поляризации. Индуцированная концентрация двумерного электронного газа очень высока, а подвижность электронов достигает 2000 см²/В·с. Поэтому транзисторы на основе гетероструктур GaN также называются транзисторами с высокой подвижностью электронов, а именно GaNHEMT (HighElectronMobilityTransistor). В то же время, напряженность пробоя материала GaN высока, в несколько раз выше, чем у Si и GaAs; теплопроводность полуизолирующей подложки SiC, используемой в устройствах GaNHEMT, лучше, чем у металлической меди, а ее хорошие теплоотводящие характеристики способствуют работе с высокой мощностью; GaNHEMT также обладает характеристиками низкой паразитной емкости и высокого напряжения пробоя, что очень подходит для создания высокоэффективных усилителей мощности (PA, PowerAmplifier).

▌Большая длительность импульса, высокий коэффициент заполнения  

GaNHEMT обычно выращивают эпитаксиально на полуизолирующей подложке из широкозонного материала SiC. Соответствующий контроль плотности мощности GaNHEMT позволяет легко достичь большой длительности импульса, высокого коэффициента заполнения и обеспечить работу в режиме непрерывного излучения высокой мощности.

▌Рабочая полоса частот, высокая частота  

Частота отсечки GaNHEMT напрямую определяет рабочую частоту и мгновенную полосу пропускания в его применении. Она увеличивается с увеличением концентрации легирования канала и уменьшается с увеличением толщины канала и длины затвора. Из-за ограничения энергии запрещенной зоны полупроводникового материала Si, его частота отсечки низка, поэтому рабочие частоты силовых полупроводниковых устройств на основе Si могут работать только ниже S-диапазона. Устройства на основе GaAs обладают гораздо лучшей подвижностью носителей заряда, чем другие устройства, и высокой частотой отсечки. Однако они ограничены напряженностью пробивного поля и имеют низкое рабочее напряжение, что приводит к низкой выходной мощности устройства. GaNHEMT обладает такими характеристиками, как широкая запрещенная зона, высокая напряженность пробивного поля и высокая скорость дрейфа электронов насыщения, что компенсирует этот недостаток и обеспечивает хорошие высокочастотные характеристики. GaNHEMT может работать на более высоких частотах и ​​одновременно иметь высокую выходную мощность. Кроме того, присущие GaNHEMT характеристики обеспечивают более высокое входное и выходное сопротивление, а также упрощают широкополосное согласование импедансов схемы, что делает GaNHEMT подходящим для широкополосных применений.

▲Рабочий диапазон частот производственных радиочастот радиочастотных устройств в различных материальных системах▌Высокая радиационная стойкость и высокая адаптивность к окружающей среде.  

GaN — чрезвычайно стабильное соединение с прочными атомными связями, высокой теплопроводностью, самой высокой степенью ионизации среди соединений III-V групп и хорошей химической стабильностью, что делает GaN-устройства более устойчивыми к радиации, чем Si и GaAs. В то же время GaN — это материал с высокой температурой плавления и высокой теплопроводностью. В силовых GaN-устройствах в качестве подложки обычно используется SiC с лучшей теплопроводностью, поэтому GaN-устройства имеют более высокую температуру перехода и могут работать в условиях высоких температур.

параметр	Si	GaAs	GaN
Ширина запрещенной зоны (эВ)	1.1	1.4	3.4
Диэлектрическая постоянная	11.8	12.8	9.0
Пробивная напряженность поля (106 В/см)	0.6	0.7	3.5
Теплопроводность (Вт/см·К)	1.3	0.5	1.3
Подвижность электронов (см²/Вс)	1450	8500	900
Скорость насыщения электронов (107 см/с)	1.0	2.0	2.7

▲Основные свойства основных полупроводниковых материалов

GaN радиочастотные устройства

в различных приложенияхПреимущества производительности

Базовые станции мобильной связи — одно из основных применений радиочастотных устройств на основе нитрида галлия (GaN). По сравнению с 4G, частотный диапазон 5G сместился в высокочастотные диапазоны. В настоящее время в нашей стране основной частотный диапазон сети 4G составляет 2.6 ГГц. В 2017 году Министерство промышленности и информационных технологий опубликовало план использования частот для систем 5G в диапазоне 3-5 ГГц (среднечастотный диапазон). В будущем высокочастотные диапазоны выше 6 ГГц будут постепенно добавляться для расширения зоны покрытия.

По сравнению с SiLDMOS и GaAs, радиочастотные устройства на основе GaN в базовых станциях более эффективно удовлетворяют требованиям 5G к высокой мощности, широкому диапазону частот и высокой эффективности. Хотя SiLDMOS могут выдавать высокую мощность, с точки зрения частоты они эффективны только в диапазоне частот не более 3.5 ГГц. Хотя частоту усилителей мощности на основе GaAs можно увеличить, они значительно уступают устройствам на основе GaN по выходной мощности. Поэтому, с точки зрения связи 5G, отвечающей требованиям высокой мощности, высокой частоты и широкой полосы пропускания, усилители мощности на основе GaN являются наилучшим выбором для базовых станций.

▌Военное применение – Преимущества нитрида галлия в радиолокационных системах и системах радиоэлектронной борьбы  

Крупнейший рынок для радиочастотных устройств на основе нитрида галлия в настоящее время находится в военной и аэрокосмической отраслях. Около пятнадцати лет назад, при финансовой поддержке Министерства обороны США, исследователи начали инвестировать в радиочастотную технологию нитрида галлия, что и привело к появлению современного рынка радиочастотных устройств на основе нитрида галлия.

Согласно статистике Strategy Analytics, на оборонные и аэрокосмические приложения приходится 40% от общего объема рынка радиочастотного нитрида галлия, а крупнейшими рынками применения радиолокационных систем и систем радиоэлектронной борьбы являются системы на основе нитрида галлия.

В марте 2017 года компания Raytheon объявила о том, что в её системе противоракетной обороны Patriot используется новейшая антенная система, основанная на технологии нитрида галлия. Patriot — это наземная система противоракетной обороны, способная перехватывать баллистические ракеты, беспилотные летательные аппараты и самолёты.

▲Ракета «Патриот»

В старой системе Patriot использовалась радиолокационная технология с пассивной электронно-сканирующей антенной решеткой. В новой радиолокационной системе была внедрена активная электронно-сканирующая антенная решетка (АЭАР). Активная электронно-сканирующая антенная решетка обеспечит системе Patriot возможность кругового обзора на 360 градусов.

«Компания Raytheon считает, что модернизация до активной радиолокационной станции с электронным сканированием на основе технологии нитрида галлия позволит системе Patriot сохранить свое преимущество перед новыми наступательными видами оружия», — заявил Тим Глейзер, вице-президент по развитию бизнеса подразделения Raytheon Air and Missile Integrated Defense.

Активный радиолокатор с электронным сканированием основан на технологии фазированной антенной решетки. Фазированная антенная решетка содержит группу антенн, которыми можно управлять по отдельности. Используя технологию формирования луча, группу антенн можно поворачивать в разных направлениях.

Стоит отметить, что эти технологии переходят из военного применения в коммерческое. Например, технологии активных электронно-сканирующих антенных решеток и фазированных антенных решеток используются в технологиях Wi-Fi миллиметрового диапазона 60 ГГц, автомобильных радиолокационных системах и беспроводных базовых станциях. Кроме того, технология фазированных антенных решеток будет широко применяться в сетях 5G.

В то же время усилители мощности, изготовленные по технологии нитрида галлия, также используются в военных портативных радиостанциях для связи «точка-точка».

▌Коммерческое применение — преимущества нитрида галлия в управлении питанием.  

Нитрид галлия — это широкозонный полупроводниковый материал, позволяющий силовым компонентам работать при более высоких напряжениях, частотах и ​​температурах, чем традиционные кремниевые полупроводниковые материалы. В системах управления питанием преимущества нитрида галлия включают:

• Потери проводимости невелики, а энергоэффективность высока. Сопротивление в открытом состоянии (Rds,on) транзисторов на основе нитрида галлия вдвое меньше, чем у традиционных кремниевых компонентов, что приводит к меньшим потерям и более высокой энергоэффективности при том же выходном токе. Низкие потери также означают низкое тепловыделение, что позволяет эффективно упростить проектирование компонентов теплоотвода и систем терморегулирования.

• В транзисторе на основе нитрида галлия отсутствует диод в теле, а также отсутствуют потери при обратном восстановлении;

• Входной заряд GaN-транзисторов очень мал, и потери на управление затвором практически отсутствуют;

• Силовые компоненты на основе нитрида галлия способны поддерживать более высокие частоты переключения (нитрид галлия: 1 МГц, кремний: <100 кГц), что позволяет уменьшить размеры пассивных компонентов;

• Плотность мощности компонентов на основе нитрида галлия очень высока и может более чем в четыре раза превышать плотность мощности LDMOS-транзисторов на основе кремния. Это позволяет увеличить выходную мощность при одновременном уменьшении размеров.

  
  

     

Чэнь Цинъюань, старший менеджер по маркетингу подразделения Infineon по управлению питанием и многоэлектронике в Большом Китае, сравнил преимущества и недостатки нитрида галлия и карбида кремния (SiC), которые являются полупроводниковыми материалами третьего поколения. Оба материала обладают высокой скоростью переключения и способствуют повышению эффективности, но нитрид галлия имеет меньшие потери, чем кремний.

Дальнейшее сравнение в различных сценариях применения показывает, что в сценариях с высокой мощностью и высоким напряжением SiC демонстрирует хорошую зрелость и экономическую эффективность; в то время как в низковольтных и средневольтных приложениях от 100 до 600 В нитрид галлия обеспечивает более высокую экономическую эффективность. С точки зрения конструкции, нитрид галлия имеет боковую структуру (например, JFET), и ему трудно достичь высокой напряженной характеристики SiCMOSFET (вертикальная структура).

Нитрид галлия более привлекателен для переключателей, которые по своей природе обычно находятся в выключенном состоянии, и представляет собой технологию-преемника всех кремниевых транзисторов, используемых до настоящего времени. Кроме того, с точки зрения общей системы, преимуществом GaN является возможность создания более компактной топологии.

Серия продуктов CoolGaN, разработанная компанией Infineon, представляет собой транзистор с высокой подвижностью электронов в режиме обогащения на основе нитрида галлия (E-HEMT), который идеально подходит для высокочастотного переключения при высоком напряжении. Он позволяет добиться более тонкой конструкции и дополнительно увеличить плотность мощности, тем самым повышая эффективность преобразования и снижая стоимость всей системы.

Йонг Анг, директор по стратегическому маркетингу компании ON Semiconductor, пояснил, что компоненты из нитрида галлия обладают меньшей паразитной емкостью, чем кремниевые компоненты, поэтому они позволяют снизить потери при переключении, связанные с зарядом затвора Qg, и увеличить частоту переключения до диапазона от сотен кГц до МГц без снижения энергоэффективности.

В отличие от кремниевых силовых компонентов, нитрид галлия не имеет встроенного диода. Двумерный электронный газ (2DEG) на границе раздела нитрида алюминия-галлия (AlGaN)/нитрида галлия может проводить ток в обратном направлении, но отсутствует заряд обратного восстановления QRR, что делает его очень подходящим для применений с жестким переключением.

Благодаря чувствительности нитрида галлия к перенапряжению и очень ограниченной лавинной способности по сравнению с кремнием, он особенно подходит для полумостовых топологий, где напряжение сток-исток ограничивается напряжением питания. Нитрид галлия очень привлекателен в топологиях с переключением при нулевом напряжении (ZVS), таких как резонансные LLC-транзисторы, обратноходовые преобразователи с активным ограничением напряжения и жестко переключаемые преобразователи коэффициента коррекции коэффициента мощности (PFC) с двухполюсной архитектурой.

▲Эволюция основных технологических направлений развития радиочастотных устройств в различных областях применения

Глобальные GaN RF устройства

конкурентная среда отраслевой цепочки

В настоящее время основными рынками сбыта радиочастотных устройств являются следующие: рынок мобильных телефонов и коммуникационных модулей, на который приходится около 80%; рынок Wi-Fi-роутеров, на который приходится около 9%; рынок базовых станций связи, на который приходится около 9%; рынок NB-IoT, на который приходится около 2%.

▌Ключевые компании и прогресс в разработке продукции в зарубежной цепочке создания стоимости радиочастотных GaN-устройств.  

Выпуск на рынок микроволновых радиочастотных устройств на основе нитрида галлия (GaN) значительно ускорился. Хотя область микроволнового радиочастотного диапазона в настоящее время привлекает большое внимание, из-за высокого технического уровня и чрезмерных патентных барьеров в этой сфере не так много компаний по сравнению с силовой электроникой и оптоэлектроникой, но большинство из них обладают мощным научно-исследовательским потенциалом и возможностями для работы на рынке. Коммерческие поставки микроволновых радиочастотных устройств на основе GaN быстро растут.

Продукция Qorvo имеет самый широкий диапазон рабочих частот, а продукция Skyworks — меньший. Выходная мощность 73% продукции Qorvo, CREE и MACOM сосредоточена в диапазоне от 10 до 100 Вт, при этом максимальная мощность достигает 1500 Вт (рабочая частота 1.0–1.1 ГГц, продукция Qorvo). В основном используется технология GaN/SiC GaN.

Кроме того, некоторые компании предлагают радиочастотные модули на основе нитрида галлия (GaN). В настоящее время 4 компании продают радиочастотные усилители на основе GaN. Среди них продукция Qorvo имеет самый широкий диапазон рабочих частот, максимальная рабочая частота может достигать 31 ГГц. Продукция Skyworks работает на более низких частотах, в основном в диапазоне 0.05–1.218 ГГц.

Радиочастотные усилители Qorvo представлены в самом широком ассортименте продукции. В рамках двух диапазонов рабочих частот 5G (3.3-3.6 ГГц и 4.8-5 ГГц), объявленных Министерством промышленности и информационных технологий моей страны, компания Qorvo выпустила наибольшее количество моделей радиочастотных усилителей, максимальная мощность которых достигает 100 Вт и 80 Вт соответственно (максимальная мощность продукции Qorvo для диапазона 4.8-5 ГГц в январе составляла 60 Вт), а максимальная мощность продукции ADI для диапазона 4.8-5 ГГц увеличилась до 50 Вт (максимальная мощность предыдущих моделей была менее 40 Вт), при этом мощность остальных моделей в основном ниже 50 Вт.

▌Ключевые компании и прогресс в разработке продукции в отрасли производства GaN-радиочастотных устройств на материковой части Китая.  

Обеспокоенные темпами технологического развития моей страны и стремлением ограничить развитие новых материальных технологий, европейские и американские страны ввели практически полную технологическую и материальную блокаду в отношении полупроводниковых материалов третьего поколения.

В этих условиях научно-исследовательские учреждения и коммерческие подразделения моей страны, опираясь на собственные инновации, достигли замечательных результатов в области микроволновых радиочастот на основе нитрида галлия (GaN). Они совершили прорывы в военной и оборонной сферах, а также в области гражданской связи, создав такие ключевые предприятия, как CETC 13, CETC 55, ZTE, Datang Mobile, и крупных клиентов, таких как China Mobile и China Unicom.

Компания Suzhou Nengxun выпустила ВЧ силовые транзисторы с частотой до 6 ГГц, рабочим напряжением 48 В и расчетной мощностью от 10 Вт до 320 Вт.

Что касается мобильной связи, компания Suzhou Nengxun уже может предложить высокоэффективные и высокочувствительные ВЧ-усилители мощности, подходящие для мобильных коммуникационных приложений, таких как LTE, 4G и 5G. Рабочий диапазон частот составляет 1.8–3.8 ГГц, рабочее напряжение — 48 В, расчетная мощность — от 130 Вт до 390 Вт, а средняя мощность — от 16 Вт до 55 Вт.

Отказ от ответственности: Данная статья перепечатана из "GaN World". Статья отражает только личное мнение автора и не представляет точку зрения Sacco Micro и отрасли в целом. Перепечатка и распространение осуществляются исключительно в целях защиты прав интеллектуальной собственности. При перепечатке, пожалуйста, указывайте первоисточник и автора. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.

Номер телефона компании: +86-0755-83044319
Факс: +86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли

QQ: 332496225 Менеджер Цю

Адрес: Комната 809, корпус C, технологический корпус Чжаньтао, проспект Миньчжи, 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.