Yole, "Galyum Nitrür RF Pazarı 2021: Uygulamalar, Başlıca Oyuncular, Teknolojiler ve Alt Tabakalar" başlıklı raporunda, galyum nitrür (GaN) RF cihaz pazarının yıllık bileşik büyüme oranı (CAGR) %18 ile 2020'deki 891 milyon ABD dolarından 2026'da 2.4 milyar ABD dolarını aşacağını öngörüyor.
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.  Birinci nesil (silikon bazlı) yarı iletkenlerle karşılaştırıldığında, üçüncü nesil yarı iletkenler geniş bant aralığına, yüksek elektriksel iletkenliğe ve yüksek termal iletkenliğe sahiptir. Yüksek kritik kırılma elektrik alanı, yüksek elektron hareketliliği ve iyi frekans özelliklerine sahiptirler. Galyum nitrür (GaN), en temsili üçüncü nesil yarı iletken malzemedir ve yüksek sıcaklık, yüksek frekans ve yüksek güçlü mikrodalga cihazları için tercih edilen malzemelerden biri haline gelmiştir. Şimdiye kadar en yüksek teorik elektro-optik ve fotoelektrik dönüşüm verimliliğine sahip malzeme sistemidir. Galyum nitrürün mükemmel özellikleri:

Şu anda GaN cihazlarının üçte ikisi askeri elektronikte, örneğin askeri iletişim, elektronik, girişim, radar ve diğer alanlarda kullanılmaktadır; sivil alanda ise galyum nitrür esas olarak iletişim baz istasyonlarında, güç cihazlarında ve diğer alanlarda kullanılmaktadır.

Önümüzdeki beş yıl içinde, üçüncü nesil yarı iletken malzemelere dayalı elektronik cihazlar, 5G baz istasyonlarında, yeni enerji araçlarında, ultra yüksek voltajlı ortamlarda, veri merkezlerinde ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılacaktır.

       

RF GaN Teknolojisi

It’s a perfect match for 5G

Galyum nitrürün bant aralığı 3.4 eV iken, günümüzde en yaygın kullanılan yarı iletken malzeme olan silikonun bant aralığı 1.12 eV'dir. Bu nedenle, galyum nitrür yüksek güç ve yüksek hızlı bileşenlerde silikon bileşenlerine göre daha iyi performans gösterir.
Galyum nitrür, yüksek güç işleme kapasitesiyle her zaman biliniyor. Baz istasyonları, radarlar ve aviyonik gibi kablosuz iletişim ekipmanları için tercih edilen yükseltici malzemedir. Ayrıca uzun yıllardır 4G iletişim sistemlerinde de kullanılmaktadır. 5G mobil iletişim sisteminde, baz istasyonlarının ve mobil telefon terminallerinin veri iletim hızı 4G'den daha hızlıdır ve modülasyon teknolojisinin spektrum kullanımı daha yüksektir; bu da radyo frekansı ön uç bileşenleri ve modülleri için daha yüksek gereksinimler ortaya koymaktadır. Ek olarak, galyum nitrür elektromanyetik radyasyona daha az duyarlıdır ve galyum nitrür bileşenleri radyasyon ortamlarında yüksek kararlılık gösterir. Galyum arsenit (GaAs) transistörlerine kıyasla, galyum nitrür transistörleri çok daha yüksek sıcaklık ve voltajlarda çalışabilir, bu da onları ideal mikrodalga frekans güç yükseltme bileşenleri yapar. Üçüncü nesil bir yarı iletken malzeme olarak galyum nitrür, 20 yılı aşkın süredir araştırılmakta ve uygulanmaktadır, ancak ticari gelişim beklentileri ancak son yıllarda ortaya çıkmaya başlamıştır. 5G, şüphesiz bunun arkasındaki ana itici güçlerden biridir. 5G iletişiminin radyo frekans ön ucu, yüksek frekans ve yüksek verimlilik için katı gereksinimlere sahiptir ve işte burada galyum nitrür devreye giriyor. Buna ek olarak, otomobil elektrifikasyonu ve taşınabilir elektronik ürünlerin hızlı ve verimli şarjına olan talep de galyum nitrür güç bileşenlerini kitle pazarına taşıyacak ve geleneksel silikon güç bileşenlerinin yerini kademeli olarak alacaktır.

▲Farklı malzeme sistemlerine sahip RF güç transistörlerinin karşılaştırma tablosu

▲GaNHEMT cihaz yapısı▌Yüksek çıkış gücü ve yüksek ek verimlilik  

GaN malzeme sistemleri, AlGaN/GaN gibi heterojunction malzeme sistemlerinin oluşturulmasında kolaylık sağlar. Heterojunction arayüzünde son derece güçlü kendiliğinden polarizasyon ve piezoelektrik polarizasyon etkileri vardır. Oluşan iki boyutlu elektron gazı konsantrasyonu çok yüksektir ve 2000 cm²/V·s'ye kadar elektron hareketliliğine sahiptir. Bu nedenle, GaN heteroyapılarına dayalı transistörlere yüksek elektron hareketliliğine sahip transistörler, yani GaNHEMT (Yüksek Elektron Hareketliliğine Sahip Transistör) de denir. Aynı zamanda, GaN malzemesinin kırılma alan dayanımı yüksektir, Si ve GaAs'den birkaç kat daha yüksektir; GaNHEMT cihazlarında kullanılan SiC yarı iletken alt tabakanın termal iletkenliği metalik bakırdan daha iyidir ve iyi ısı dağıtım özellikleri yüksek güçte çalışmaya elverişlidir; GaNHEMT ayrıca düşük parazitik kapasitans ve yüksek kırılma gerilimi özelliklerine sahiptir, bu da yüksek verimli güç amplifikatörlerinin (PA, Güç Amplifikatörü) gerçekleştirilmesi için çok uygundur.

▌Uzun darbe genişliği, yüksek görev döngüsü  

GaNHEMT genellikle geniş bant aralıklı bir malzeme olan SiC yarı iletken alt tabaka üzerine epitaksiyel olarak büyütülür. GaNHEMT'nin güç yoğunluğunun uygun şekilde kontrol edilmesiyle, uzun darbe genişliği, yüksek görev döngüsü kolayca elde edilebilir ve yüksek güçlü sürekli dalga çalışması sağlanabilir.

▌Working frequency bandwidth, high frequency  

The cutoff frequency of GaNHEMT directly determines the operating frequency and instantaneous bandwidth of its application. It increases as the doping concentration of the channel increases, and decreases as the thickness of the channel and gate length increase. Due to the limitation of the forbidden band energy of Si semiconductor material, its cut-off frequency is low, so the operating frequency of Si semiconductor power devices can only operate below the S-band. GaAs devices have much better carrier mobility than other devices and a high cut-off frequency. However, they are limited by breakdown field strength and have low operating voltage, resulting in low device output power. GaNHEMT has the characteristics of wide bandgap energy, high breakdown field strength and high saturation electron drift velocity, which compensates for this deficiency and obtains good high-frequency performance. GaNHEMT can operate at higher frequencies and at the same time have high output power. In addition, the inherent characteristics of GaNHEMT make its input and output impedance higher, and the broadband impedance matching of the circuit is easier to achieve, making GaNHEMT suitable for broadband applications.

▲Power-frequency working range of RF devices in different material systems▌Strong radiation resistance and strong environmental adaptability  

GaN, güçlü atomik bağlara, yüksek ısı iletkenliğine, III-V bileşikleri arasında en yüksek iyonlaşma derecesine ve iyi kimyasal kararlılığa sahip son derece kararlı bir bileşiktir; bu da GaN cihazlarını Si ve GaAs'tan daha fazla radyasyona dayanıklı hale getirir. Aynı zamanda, GaN yüksek erime noktasına ve yüksek ısı iletkenliğine sahip bir malzemedir. GaN güç cihazları genellikle daha iyi ısı iletkenliğine sahip SiC'yi alt tabaka olarak kullanır, bu nedenle GaN güç cihazları daha yüksek bağlantı sıcaklığına sahiptir ve yüksek sıcaklık ortamlarında çalışabilir.

parametre	Si	GaAs	GaN
Bant aralığı genişliği (eV)	1.1	1.4	3.4
Dielektrik sabiti	11.8	12.8	9.0
Bozulma alan şiddeti (106V/cm)	0.6	0.7	3.5
Isı iletkenliği (W/cm.K)	1.3	0.5	1.3
Elektron hareketliliği (cm2/Vs)	1450	8500	900
Doygunluk elektron hızı (107 cm/s)	1.0	2.0	2.7

▲Başlıca yarı iletken malzemelerin temel özellikleri

GaN RF cihazları

çeşitli uygulamalardaPerformans avantajları

Mobile communication base stations are one of the main applications of GaN radio frequency devices. Compared with 4G, the communication frequency band of 5G has migrated to high-frequency bands. At present, my country's 4G network communication frequency band is mainly 2.6GHz. In 2017, the Ministry of Industry and Information Technology released a frequency usage plan for 5G systems in the 3-5GHz frequency band (mid-frequency band). In the future, high-frequency bands above 6GHz will be gradually added as capacity coverage.

Compared with SiLDMOS and GaAs, GaN RF devices at the base station can more effectively meet the high power, high communication frequency band and high efficiency requirements of 5G. Although SiLDMOS can output high power, in terms of frequency, it is only effective within a spectrum range of no more than 3.5GHz. Although the frequency of GaAs power amplifiers can be increased, it is significantly inferior to GaN devices in terms of output power. Therefore, in terms of 5G communications that meet high power, high frequency, and large bandwidth, GaN power amplifiers are the best choice for base stations.

▌Askeri Uygulamalar – Radar ve Elektronik Savaş Sistemlerinde Galyum Nitrürün Avantajları  

The largest market for radio frequency gallium nitride devices is now in the military and aerospace fields. About fifteen years ago, with funding from the U.S. Department of Defense, researchers began to invest in radio frequency gallium nitride technology, which gave rise to the current radio frequency gallium nitride device market.

Strategy Analytics'in istatistiklerine göre, RF galyum nitrürün toplam pazar büyüklüğünün %40'ını savunma ve havacılık uygulamaları oluştururken, radar ve elektronik harp sistemleri RF galyum nitrür için en büyük uygulama pazarlarını oluşturmaktadır.

Mart 2017'de Raytheon, Patriot füze savunma sisteminin galyum nitrür teknolojisine dayalı en yeni anten sistemini benimsediğini duyurdu. Patriot Füze Savunma Sistemi, balistik füzeleri, insansız hava araçlarını ve uçakları önleyebilen karada konuşlandırılmış bir füze savunma sistemidir.

▲Patriot füzesi

The radar technology used in the old Patriot system was called a passive electronically scanned array. The new radar system was changed to an active electronically scanned array (AESA). The active electronically scanned array will provide the Patriot system with 360-degree radar capabilities.

"Raytheon believes that upgrading to an active electronically scanned array radar based on gallium nitride technology will allow the Patriot system to maintain its advantage against new offensive weapons." said Tim Glaeser, vice president of business development for Raytheon Air and Missile Integrated Defense.

Aktif elektronik taramalı dizi radarı, faz dizili teknolojisine dayanmaktadır. Faz dizili cihaz, ayrı ayrı kontrol edilebilen bir grup anten içerir. Işın şekillendirme teknolojisi kullanılarak, anten grubu farklı yönlere döndürülebilir.

Bu teknolojilerin askeri kullanımdan ticari kullanıma doğru ilerlediğini belirtmekte fayda var. Örneğin, aktif elektronik taramalı dizi (ESA) ve faz dizili (PDA) teknolojisi, 60 GHz milimetre dalga Wi-Fi teknolojisinde, otomotiv radar sistemlerinde ve kablosuz baz istasyonlarında kullanılmıştır. Ayrıca, PDA teknolojisi 5G'de yaygın olarak kullanılacaktır.

At the same time, power amplifiers manufactured with gallium nitride technology have also been used in military handheld radios for point-to-point communications.

▌Ticari Uygulamalar - Enerji Yönetiminde Galyum Nitrürün Performans Avantajları  

Galyum nitrür, güç bileşenlerinin geleneksel silikon yarı iletken malzemelere göre daha yüksek voltajlarda, frekanslarda ve sıcaklıklarda çalışmasına olanak tanıyan geniş bant aralıklı (WBG) bir yarı iletken malzemedir. Güç yönetimi uygulamalarında galyum nitrürün avantajları şunlardır:

• İletim kaybı düşüktür ve enerji verimliliği yüksektir. Galyum nitrür transistörlerin açık direnci (Rds,on), geleneksel silikon bileşenlerinin yarısı kadardır; bu da aynı çıkış akımında daha düşük kayıplara ve daha yüksek enerji verimliliğine yol açar. Düşük kayıp aynı zamanda düşük ısı üretimi anlamına gelir; bu da ısı dağıtım bileşenlerinin ve termal yönetim sistemlerinin tasarımını etkili bir şekilde basitleştirebilir.

• There is no body diode in the gallium nitride transistor and there is no reverse recovery loss;

• GaN transistörlerinin giriş yükü çok küçüktür ve neredeyse hiç kapı sürüş kaybı yoktur;

• Galyum nitrür güç bileşenleri daha yüksek anahtarlama frekanslarını destekleyebilir (galyum nitrür: 1MHz, silikon: <100KHz), böylece pasif bileşenlerin boyutu küçülür;

• Galyum nitrür bileşenlerinin güç yoğunluğu çok yüksektir ve silikon tabanlı LDMOS'un dört katından fazla olabilir. Bu sayede boyut küçülürken çıkış gücü artırılabilir.

  
  

     

Infineon'un Büyük Çin Güç Yönetimi ve Çoklu Elektronik Bölümü kıdemli pazarlama müdürü Chen Qingyuan, her ikisi de üçüncü nesil yarı iletken malzeme olan galyum nitrür ve SiC'nin avantaj ve dezavantajlarını karşılaştırdı. Her ikisi de hızlı anahtarlama performansına sahip ve verimliliği artırmaya yardımcı oluyor, ancak galyum nitrürün kayıpları silisyumdan daha düşük.

Uygulama senaryolarında yapılan daha detaylı karşılaştırmalar, yüksek güç ve yüksek voltajlı uygulama senaryolarında SiC'nin iyi bir olgunluk ve maliyet etkinliği gösterdiğini; 100V ila 600V arasındaki düşük ve orta voltajlı uygulamalarda ise galyum nitrürün daha yüksek maliyet etkinliği sağlayabildiğini göstermektedir. Yapısal açıdan bakıldığında, galyum nitrür yatay bir yapıya (örneğin JFET) sahiptir ve SiCMOSFET'in (dikey yapı) yüksek voltaj kapasitesine ulaşmak zordur.

Galyum nitrür, doğası gereği normalde kapalı olan anahtarlar için daha caziptir ve bugüne kadar kullanılan tüm silikon transistörlerin halefi teknolojisini temsil eder. Ek olarak, genel sistem perspektifinden bakıldığında, GaN'nin avantajı, topolojiyi daha kompakt hale getirebilmesidir.

Infineon tarafından geliştirilen CoolGaN ürün serisi, yüksek voltaj altında daha yüksek frekanslı anahtarlama işlemleri için oldukça uygun olan galyum nitrür geliştirilmiş modlu yüksek elektron hareketliliğine sahip transistördür (E-HEMT). Daha ince bir tasarım elde edilmesini ve güç yoğunluğunun daha da artırılmasını sağlayarak, dönüştürme verimliliğini daha da iyileştirir ve tüm sistemin maliyetini düşürür.

ON Semiconductor'ın stratejik pazarlama direktörü Yong Ang, galyum nitrür bileşenlerinin silikon bileşenlerine göre daha düşük parazitik kapasiteye sahip olduğunu, bu nedenle kapı yükü Qg ile ilgili anahtarlama kayıplarını azaltabildiklerini ve enerji verimliliğini düşürmeden anahtarlama frekansını yüzlerce kHz ila MHz aralığına çıkarabildiklerini açıkladı.

Unlike silicon power components, gallium nitride does not have a body diode. The two-dimensional electron gas (2DEG) on the aluminum gallium nitride (AlGaN)/gallium nitride boundary surface can reversely conduct current, but there is no reverse recovery charge QRR, making it very suitable for hard switching applications.

Galyum nitrürün aşırı gerilime duyarlılığı ve silisyuma kıyasla çok sınırlı çığ kapasitesi nedeniyle, drenaj-kaynak geriliminin ray gerilimine sabitlendiği yarım köprü topolojileri için özellikle uygundur. Galyum nitrür, rezonanslı LLC, aktif kelepçeli flyback ve sert anahtarlamalı totem direği PFC gibi sıfır gerilim anahtarlama (ZVS) topolojilerinde büyük bir çekiciliğe sahiptir.

▲Farklı uygulama alanlarında ana akım radyo frekansı cihaz teknolojisi yollarının evrimi

Global GaN RF Devices

Endüstri zinciri rekabet ortamı

At present, the main markets for radio frequency devices are as follows: mobile phone and communication module market, accounting for about 80%; WIFI router market, accounting for about 9%; communication base station market, accounting for about 9%; NB-IoT market, accounting for about 2%.

▌Key companies and product progress in the overseas GaN radio frequency device industry chain  

GaN mikrodalga RF cihaz ürünlerinin piyasaya sürülmesi önemli ölçüde hızlandı. Mikrodalga radyo frekansı alanı şu anda büyük ilgi görse de, yüksek teknik seviye ve aşırı patent engelleri nedeniyle, güç elektroniği ve optoelektronik alanlarına kıyasla bu alanda çok fazla şirket bulunmamaktadır; ancak bunların çoğu güçlü bilimsel araştırma gücüne ve pazar operasyon yeteneklerine sahiptir. GaN mikrodalga RF cihazlarının ticari arzı hızla artmaktadır.

Qorvo ürünleri en geniş çalışma frekans aralığına sahipken, Skyworks ürünleri daha dar bir çalışma frekansına sahiptir. Qorvo, CREE ve MACOM ürünlerinin %73'ünün çıkış gücü 10W ile 100W arasında yoğunlaşmıştır ve maksimum güç 1500W'a ulaşmaktadır (çalışma frekansı 1.0-1.1GHz, Qorvo tarafından üretilmiştir). Kullanılan teknoloji ağırlıklı olarak GaN/SiC GaN yoludur.

Ayrıca, bazı şirketler GaN RF modül ürünleri de sunmaktadır. Şu anda 4 şirket GaN RF amplifikatör satışı yapmaktadır. Bunlar arasında Qorvo ürünleri en geniş çalışma frekans aralığına sahiptir ve maksimum çalışma frekansı 31 GHz'e ulaşabilmektedir. Skyworks ürünleri ise daha düşük frekanslarda, çoğunlukla 0.05-1.218 GHz arasında çalışmaktadır.

Qorvo RF amplifikatörleri en geniş ürün kategorilerinde mevcuttur. Ülkemizin Sanayi ve Bilgi Teknolojileri Bakanlığı tarafından açıklanan iki 5G çalışma frekans bandında (3.3-3.6 GHz ve 4.8-5 GHz), Qorvo en fazla RF amplifikatör ürün kategorisini piyasaya sürdü; en yüksek güç sırasıyla 100W ve 80W'a ulaşıyor (Qorvo'nun Ocak ayındaki 4.8-5 GHz ürünlerinin en yüksek gücü 60W idi) ve ADI'nin 4.8-5 GHz ürünlerinin en yüksek gücü 50W'a yükseldi (önceki ürünlerin maksimum gücü 40W'ın altındaydı) ve diğer ürünlerin gücü çoğunlukla 50W'ın altında kalıyor.

▌Çin anakarasındaki GaN RF cihaz endüstrisi zincirinin kilit şirketleri ve ürün gelişimi  

Ülkemin teknolojik gelişme hızına ilişkin endişeler ve ülkemizin yeni malzeme teknolojisinin gelişimini engelleme düşüncesi nedeniyle, Avrupa ve Amerika ülkeleri üçüncü nesil yarı iletken malzemeler konusunda ülkemize neredeyse tam bir teknoloji ve malzeme ablukası uygulamıştır.

Bu koşullar altında, ülkemizin bilimsel araştırma kurumları ve işletme birimleri bağımsız inovasyona dayanarak GaN mikrodalga radyo frekansı alanında dikkat çekici sonuçlar elde etmiştir. Askeri ve savunma alanlarında ve sivil iletişim alanında atılımlar gerçekleştirerek CETC 13, CETC 55, ZTE, Datang Mobile gibi önemli işletmeler ve China Mobile ve China Unicom gibi büyük müşteriler yaratmıştır.

Suzhou Nengxun has launched RF power transistors with frequencies up to 6GHz, operating voltage 48V, and design power from 10W-320W.

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.

Yasal Uyarı: Bu makale "GaN World"den yeniden basılmıştır. Bu makale yalnızca yazarın kişisel görüşlerini temsil eder ve Sacco Micro'nun ve sektörün görüşlerini yansıtmaz. Yalnızca fikri mülkiyet haklarının korunmasını desteklemek amacıyla yeniden basılmış ve paylaşılmıştır. Yeniden basım yaparken lütfen orijinal kaynağı ve yazarı belirtin. Herhangi bir ihlal söz konusuysa, lütfen silinmesi için bizimle iletişime geçin.

Şirket telefon numarası: +86-0755-83044319
Faks: +86-0755-83975897
E-posta: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Yönetici Li

QQ: 332496225 Yönetici Qiu

Adres: Shenzhen, Longhua Yeni Bölgesi, Minzhi Caddesi No. 1079, Zhantao Teknoloji Binası, C Binası, Oda 809