Yole dự đoán trong báo cáo "Thị trường thiết bị RF gallium nitride 2021: Ứng dụng, các nhà sản xuất chính, công nghệ và chất nền" rằng thị trường thiết bị RF gallium nitride (GaN) đang tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 18%, từ 891 triệu đô la Mỹ vào năm 2020 lên hơn 2.4 tỷ đô la Mỹ vào năm 2026.
Thị trường sẽ bị chi phối bởi các ứng dụng quốc phòng và cơ sở hạ tầng viễn thông 5G, chiếm lần lượt 49% và 41% tổng thị trường vào năm 2026. Đặc biệt, phân khúc mạng di động macro/micro dựa trên GaN sẽ chiếm hơn 95% thị trường cơ sở hạ tầng viễn thông GaN vào năm 2026.  So với các chất bán dẫn thế hệ đầu tiên (dựa trên silicon), chất bán dẫn thế hệ thứ ba có khe năng lượng lớn, độ dẫn điện cao và độ dẫn nhiệt cao. Chúng có đặc điểm là điện trường đánh thủng tới hạn cao, độ linh động điện tử cao và đặc tính tần số tốt. Gallium Nitride (GaN) là vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba tiêu biểu nhất và đã trở thành một trong những vật liệu được ưu tiên cho các thiết bị vi sóng nhiệt độ cao, tần số cao và công suất cao. Đây là hệ vật liệu có hiệu suất chuyển đổi điện quang và quang điện lý thuyết cao nhất cho đến nay. Các đặc tính tuyệt vời của gallium nitride:

Hiện nay, hai phần ba thiết bị GaN được sử dụng trong lĩnh vực điện tử quân sự, chẳng hạn như thông tin liên lạc quân sự, điện tử, chống nhiễu, radar và các lĩnh vực khác; trong lĩnh vực dân sự, gallium nitride chủ yếu được sử dụng trong các trạm gốc thông tin liên lạc, thiết bị điện và các lĩnh vực khác.

Trong vòng 5 năm tới, các thiết bị điện tử dựa trên vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba sẽ được sử dụng rộng rãi trong các trạm gốc 5G, xe năng lượng mới, chân không siêu cao, trung tâm dữ liệu và các ứng dụng khác.

       

Công nghệ RF GaN

Đây là sự kết hợp hoàn hảo với công nghệ 5G.

Khoảng cách vùng cấm của gali nitrua là 3.4 eV, trong khi khoảng cách vùng cấm của silic, vật liệu bán dẫn được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, là 1.12 eV. Do đó, gali nitrua có hiệu suất tốt hơn các linh kiện silic trong các thiết bị công suất cao và tốc độ cao.
Gallium nitride từ lâu đã được biết đến với khả năng xử lý công suất cao. Nó là vật liệu khuếch đại được lựa chọn cho các thiết bị truyền thông không dây như trạm gốc, radar và thiết bị hàng không. Nó cũng đã được sử dụng trong các hệ thống truyền thông 4G trong nhiều năm. Trong hệ thống truyền thông di động 5G, tốc độ truyền dữ liệu của các trạm gốc và thiết bị đầu cuối điện thoại di động nhanh hơn so với 4G, và việc sử dụng phổ tần của công nghệ điều chế cao hơn, điều này đặt ra yêu cầu cao hơn đối với các linh kiện và mô-đun giao diện tần số vô tuyến. Ngoài ra, gallium nitride ít nhạy cảm với bức xạ điện từ, và các linh kiện gallium nitride thể hiện độ ổn định cao trong môi trường bức xạ. So với các transistor gallium arsenide (GaAs), các transistor gallium nitride có thể hoạt động ở nhiệt độ và điện áp cao hơn nhiều, khiến chúng trở thành các linh kiện khuếch đại công suất tần số vi sóng lý tưởng. Là một vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba, gallium nitride đã được nghiên cứu và ứng dụng trong hơn 20 năm, nhưng chỉ trong những năm gần đây, triển vọng phát triển thương mại của nó mới bắt đầu nổi lên. 5G chắc chắn là một trong những động lực chính thúc đẩy điều này. Mạch tiền khuếch đại tần số vô tuyến của hệ thống truyền thông 5G có những yêu cầu khắt khe về tần số cao và hiệu suất cao, đó là lý do gallium nitride trở nên quan trọng. Ngoài ra, nhu cầu sạc nhanh và hiệu quả cho xe điện và các sản phẩm điện tử cầm tay cũng sẽ thúc đẩy việc sử dụng các linh kiện điện gallium nitride trên thị trường đại chúng, dần dần thay thế các linh kiện điện silicon truyền thống.

▲Bảng so sánh các transistor công suất RF với các hệ vật liệu khác nhau

▲Cấu trúc thiết bị GaNHEMT▌Công suất đầu ra cao và hiệu suất bổ sung cao  

Hệ vật liệu GaN dễ dàng tạo thành hệ vật liệu dị cấu trúc như AlGaN/GaN. Có hiện tượng phân cực tự phát và phân cực áp điện cực mạnh tại giao diện dị cấu trúc. Nồng độ khí điện tử hai chiều cảm ứng rất cao và có độ linh động điện tử lên đến 2000 cm²/V·s. Do đó, các transistor dựa trên cấu trúc dị thể GaN còn được gọi là transistor có độ linh động điện tử cao, tức là GaNHEMT (HighElectronMobilityTransistor). Đồng thời, cường độ điện trường đánh thủng của vật liệu GaN cao, cao hơn nhiều lần so với Si và GaAs; độ dẫn nhiệt của chất nền bán cách điện SiC được sử dụng trong các thiết bị GaNHEMT tốt hơn so với đồng kim loại, và đặc tính tản nhiệt tốt của nó có lợi cho hoạt động công suất cao; GaNHEMT cũng có đặc điểm điện dung ký sinh thấp và điện áp đánh thủng cao, rất phù hợp để chế tạo các bộ khuếch đại công suất hiệu quả cao (PA, PowerAmplifier).

▌Độ rộng xung dài, chu kỳ làm việc cao  

GaNHEMT thường được nuôi cấy trên chất nền bán dẫn cách điện SiC có dải năng lượng rộng. Việc kiểm soát mật độ công suất của GaNHEMT một cách thích hợp có thể dễ dàng đạt được độ rộng xung dài, chu kỳ làm việc cao và có thể hoạt động liên tục ở công suất cao.

▌Băng thông tần số hoạt động, tần số cao  

Tần số cắt của GaNHEMT quyết định trực tiếp tần số hoạt động và băng thông tức thời của ứng dụng. Tần số cắt tăng khi nồng độ pha tạp của kênh tăng và giảm khi độ dày của kênh và chiều dài cổng tăng. Do giới hạn năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn Si, tần số cắt của nó thấp, do đó tần số hoạt động của các thiết bị công suất bán dẫn Si chỉ có thể hoạt động dưới dải S. Các thiết bị GaAs có độ linh động của hạt tải điện tốt hơn nhiều so với các thiết bị khác và tần số cắt cao. Tuy nhiên, chúng bị giới hạn bởi cường độ điện trường đánh thủng và có điện áp hoạt động thấp, dẫn đến công suất đầu ra của thiết bị thấp. GaNHEMT có đặc điểm năng lượng vùng cấm rộng, cường độ điện trường đánh thủng cao và vận tốc trôi điện tử bão hòa cao, bù đắp cho nhược điểm này và đạt được hiệu suất tần số cao tốt. GaNHEMT có thể hoạt động ở tần số cao hơn và đồng thời có công suất đầu ra cao. Ngoài ra, các đặc tính vốn có của GaNHEMT làm cho trở kháng đầu vào và đầu ra của nó cao hơn, và việc phối hợp trở kháng băng rộng của mạch dễ dàng đạt được hơn, làm cho GaNHEMT phù hợp với các ứng dụng băng rộng.

▲Phạm vi tần số hoạt động của thiết bị RF trong các hệ vật liệu khác nhau▌Khả năng chống bức xạ mạnh và khả năng thích ứng môi trường cao.  

GaN là một hợp chất cực kỳ ổn định với liên kết nguyên tử mạnh, độ dẫn nhiệt cao, độ ion hóa cao nhất trong số các hợp chất III-V và độ ổn định hóa học tốt, giúp các thiết bị GaN có khả năng chống bức xạ tốt hơn Si và GaAs. Đồng thời, GaN là vật liệu có điểm nóng chảy cao và độ dẫn nhiệt cao. Các thiết bị điện GaN thường sử dụng SiC với độ dẫn nhiệt tốt hơn làm chất nền, do đó các thiết bị điện GaN có nhiệt độ mối nối cao hơn và có thể hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao.

tham số	Si	GaAs	Gan
Độ rộng vùng cấm (eV)	1.1	1.4	3.4
Hằng số điện môi	11.8	12.8	9.0
Cường độ điện trường đánh thủng (106V/cm)	0.6	0.7	3.5
Độ dẫn nhiệt (W/cm.K)	1.3	0.5	1.3
Độ linh động của electron (cm2/Vs)	1450	8500	900
Vận tốc electron bão hòa (107 cm/s)	1.0	2.0	2.7

▲Các đặc tính chính của các vật liệu bán dẫn chủ yếu

Thiết bị RF GaN

trong các ứng dụng khác nhauLợi thế về hiệu suất

Trạm gốc thông tin di động là một trong những ứng dụng chính của thiết bị tần số vô tuyến GaN. So với 4G, băng tần thông tin liên lạc của 5G đã chuyển sang các băng tần cao hơn. Hiện nay, băng tần thông tin liên lạc mạng 4G của nước ta chủ yếu là 2.6GHz. Năm 2017, Bộ Công Thương đã ban hành kế hoạch sử dụng tần số cho hệ thống 5G trong băng tần 3-5GHz (băng tần trung). Trong tương lai, các băng tần cao hơn 6GHz sẽ được bổ sung dần để tăng cường dung lượng phủ sóng.

So với SiLDMOS và GaAs, các thiết bị RF GaN tại trạm gốc có thể đáp ứng hiệu quả hơn các yêu cầu về công suất cao, băng tần truyền thông rộng và hiệu suất cao của 5G. Mặc dù SiLDMOS có thể tạo ra công suất cao, nhưng về tần số, nó chỉ hiệu quả trong dải tần không quá 3.5GHz. Mặc dù tần số của bộ khuếch đại công suất GaAs có thể được tăng lên, nhưng nó lại kém hơn đáng kể so với các thiết bị GaN về công suất đầu ra. Do đó, đối với truyền thông 5G đáp ứng các yêu cầu về công suất cao, tần số cao và băng thông rộng, bộ khuếch đại công suất GaN là lựa chọn tốt nhất cho các trạm gốc.

▌Ứng dụng trong quân sự – Ưu điểm của Gallium Nitride trong hệ thống radar và tác chiến điện tử  

Thị trường lớn nhất cho các thiết bị gallium nitride tần số vô tuyến hiện nay nằm trong lĩnh vực quân sự và hàng không vũ trụ. Khoảng mười lăm năm trước, với nguồn tài trợ từ Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu đầu tư vào công nghệ gallium nitride tần số vô tuyến, tạo tiền đề cho thị trường thiết bị gallium nitride tần số vô tuyến hiện nay.

Theo số liệu thống kê từ Strategy Analytics, các ứng dụng trong lĩnh vực quốc phòng và hàng không vũ trụ chiếm 40% tổng quy mô thị trường của gallium nitride tần số vô tuyến (RF), và hệ thống radar cùng hệ thống tác chiến điện tử là những thị trường ứng dụng lớn nhất cho gallium nitride RF.

Tháng 3 năm 2017, Raytheon thông báo rằng hệ thống phòng thủ tên lửa Patriot của họ đã áp dụng hệ thống anten mới nhất dựa trên công nghệ gallium nitride. Hệ thống phòng thủ tên lửa Patriot là hệ thống phòng thủ tên lửa đặt trên mặt đất, có khả năng đánh chặn tên lửa đạn đạo, máy bay không người lái và máy bay.

▲Tên lửa Patriot

Công nghệ radar được sử dụng trong hệ thống Patriot cũ được gọi là mảng quét điện tử thụ động. Hệ thống radar mới đã được thay đổi thành mảng quét điện tử chủ động (AESA). Mảng quét điện tử chủ động sẽ cung cấp cho hệ thống Patriot khả năng radar 360 độ.

"Raytheon tin rằng việc nâng cấp lên radar mảng quét điện tử chủ động dựa trên công nghệ gallium nitride sẽ cho phép hệ thống Patriot duy trì lợi thế của mình trước các loại vũ khí tấn công mới," Tim Glaeser, phó chủ tịch phát triển kinh doanh của Raytheon Air and Missile Integrated Defense, cho biết.

Radar mảng quét điện tử chủ động (ASC) dựa trên công nghệ mảng pha. Thiết bị mảng pha bao gồm một nhóm ăng-ten có thể được điều khiển riêng lẻ. Sử dụng công nghệ tạo chùm tia, nhóm ăng-ten có thể được xoay theo các hướng khác nhau.

Điều đáng chú ý là các công nghệ này đang chuyển từ lĩnh vực quân sự sang lĩnh vực thương mại. Ví dụ, công nghệ mảng quét điện tử chủ động (ASC) và mảng pha (PSA) đã được sử dụng trong công nghệ Wi-Fi sóng milimét 60GHz, hệ thống radar ô tô và trạm gốc không dây. Ngoài ra, công nghệ mảng pha sẽ được sử dụng rộng rãi trong mạng 5G.

Đồng thời, các bộ khuếch đại công suất được sản xuất bằng công nghệ gallium nitride cũng được sử dụng trong các máy bộ đàm cầm tay quân sự để liên lạc điểm-điểm.

▌Ứng dụng thương mại - Ưu điểm về hiệu năng của Gallium Nitride trong quản lý năng lượng  

Gallium nitride là vật liệu bán dẫn có dải năng lượng rộng (WBG) cho phép các linh kiện điện hoạt động ở điện áp, tần số và nhiệt độ cao hơn so với các vật liệu bán dẫn silicon truyền thống. Trong các ứng dụng quản lý năng lượng, những ưu điểm của gallium nitride bao gồm:

• Tổn hao dẫn điện nhỏ và hiệu suất năng lượng cao. Điện trở bật (Rds,on) của transistor gallium nitride chỉ bằng một nửa so với các linh kiện silicon truyền thống, dẫn đến tổn hao nhỏ hơn và hiệu suất năng lượng cao hơn ở cùng một dòng điện đầu ra. Tổn hao thấp cũng đồng nghĩa với việc sinh nhiệt thấp, giúp đơn giản hóa hiệu quả thiết kế các linh kiện tản nhiệt và hệ thống quản lý nhiệt;

• Transistor gallium nitride không có điốt thân và không có tổn hao phục hồi ngược;

• Điện tích đầu vào của các bóng bán dẫn GaN rất nhỏ và hầu như không có tổn hao điều khiển cổng;

• Các linh kiện điện tử công suất làm từ gallium nitride có thể hỗ trợ tần số chuyển mạch cao hơn (galium nitride: 1MHz, silicon: <100KHz), do đó làm giảm kích thước của các linh kiện thụ động;

• Mật độ công suất của các linh kiện gallium nitride rất cao, có thể đạt hơn bốn lần so với LDMOS dựa trên silicon. Điều này giúp tăng công suất đầu ra trong khi giảm kích thước.

  
  

     

Chen Qingyuan, quản lý tiếp thị cấp cao của bộ phận Quản lý năng lượng và Đa điện tử khu vực Đại Trung Quốc của Infineon, đã so sánh những ưu điểm và nhược điểm của gallium nitride và SiC, cả hai đều là vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba. Cả hai đều có hiệu suất chuyển mạch nhanh và giúp cải thiện hiệu quả, nhưng gallium nitride có tổn hao thấp hơn silicon.

So sánh thêm trong các kịch bản ứng dụng cho thấy rằng trong các kịch bản ứng dụng công suất cao và điện áp cao, SiC thể hiện sự hoàn thiện tốt và hiệu quả về chi phí; trong khi đó, trong các ứng dụng điện áp thấp và trung bình từ 100V đến 600V, gallium nitride có thể đạt được hiệu quả chi phí cao hơn. Về mặt cấu trúc, gallium nitride có cấu trúc ngang (như JFET), và khó đạt được khả năng điện áp cao như SiCMOSFET (cấu trúc dọc).

Gallium nitride (GaN) hấp dẫn hơn đối với các công tắc vốn dĩ luôn ở trạng thái tắt và đại diện cho công nghệ kế nhiệm của các bóng bán dẫn silicon được sử dụng cho đến nay. Ngoài ra, xét từ góc độ hệ thống tổng thể, ưu điểm của GaN là nó có thể làm cho cấu trúc mạch nhỏ gọn hơn.

Dòng sản phẩm CoolGaN do Infineon phát triển là transistor điện tử có độ linh động cao (E-HEMT) sử dụng nitrit gali, rất phù hợp để thực hiện chuyển mạch tần số cao dưới điện áp cao. Nó có thể đạt được thiết kế mỏng hơn và tăng mật độ công suất hơn nữa, từ đó cải thiện hiệu suất chuyển đổi và giảm chi phí của toàn bộ hệ thống.

Yong Ang, giám đốc tiếp thị chiến lược của ON Semiconductor, giải thích thêm rằng các linh kiện gallium nitride có điện dung ký sinh thấp hơn so với các linh kiện silicon, do đó chúng có thể giảm tổn thất chuyển mạch liên quan đến điện tích cổng Qg và tăng tần số chuyển mạch lên đến hàng trăm kHz đến MHz mà không làm giảm hiệu suất năng lượng.

Khác với các linh kiện điện tử công suất silicon, gallium nitride không có diode thân. Lớp khí điện tử hai chiều (2DEG) trên bề mặt ranh giới giữa nhôm gallium nitride (AlGaN) và gallium nitride có thể dẫn dòng điện ngược chiều, nhưng không có điện tích phục hồi ngược QRR, điều này làm cho nó rất phù hợp cho các ứng dụng chuyển mạch cứng.

Do tính nhạy cảm với quá áp và khả năng chịu quá tải rất hạn chế so với silicon, gallium nitride đặc biệt phù hợp cho các cấu trúc bán cầu, trong đó điện áp nguồn-cống được kẹp ở điện áp nguồn. Gallium nitride rất hấp dẫn trong các cấu trúc chuyển mạch không điện áp (ZVS) như LLC cộng hưởng, flyback kẹp chủ động và PFC totem pole chuyển mạch cứng.

▲Sự phát triển của các lộ trình công nghệ thiết bị tần số vô tuyến chính thống trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau

Thiết bị RF GaN toàn cầu

Bức tranh cạnh tranh trong chuỗi ngành

Hiện nay, các thị trường chính cho thiết bị tần số vô tuyến như sau: thị trường điện thoại di động và mô-đun truyền thông, chiếm khoảng 80%; thị trường bộ định tuyến WIFI, chiếm khoảng 9%; thị trường trạm gốc truyền thông, chiếm khoảng 9%; thị trường NB-IoT, chiếm khoảng 2%.

▌Các công ty chủ chốt và tiến bộ sản phẩm trong chuỗi ngành thiết bị tần số vô tuyến GaN ở nước ngoài  

Việc ra mắt các sản phẩm thiết bị RF vi sóng GaN đã tăng tốc đáng kể. Mặc dù lĩnh vực tần số vô tuyến vi sóng hiện đang thu hút nhiều sự chú ý, nhưng do trình độ kỹ thuật cao và rào cản bằng sáng chế quá lớn, số lượng công ty trong lĩnh vực này không nhiều so với lĩnh vực điện tử công suất và quang điện tử, nhưng hầu hết đều có năng lực nghiên cứu khoa học và khả năng vận hành thị trường mạnh mẽ. Nguồn cung thương mại các thiết bị RF vi sóng GaN đang tăng trưởng nhanh chóng.

Các sản phẩm của Qorvo có dải tần hoạt động rộng nhất, trong khi các sản phẩm của Skyworks có dải tần hoạt động hẹp hơn. Công suất đầu ra của 73% sản phẩm của Qorvo, CREE và MACOM tập trung trong khoảng từ 10W đến 100W, với công suất tối đa đạt 1500W (tần số hoạt động là 1.0-1.1GHz, do Qorvo sản xuất). Công nghệ được sử dụng chủ yếu là GaN/SiC GaN.

Ngoài ra, một số công ty cung cấp các sản phẩm mô-đun RF GaN. Hiện tại, có 4 công ty đang kinh doanh bộ khuếch đại RF GaN. Trong đó, sản phẩm của Qorvo có dải tần hoạt động rộng nhất và tần số hoạt động tối đa có thể đạt tới 31GHz. Sản phẩm của Skyworks hoạt động ở tần số nhỏ hơn, chủ yếu trong khoảng 0.05-1.218GHz.

Các bộ khuếch đại RF của Qorvo có mặt trong nhiều danh mục sản phẩm nhất. Trong hai dải tần hoạt động 5G (3.3-3.6GHz và 4.8-5GHz) được Bộ Công nghiệp và Công nghệ Thông tin nước ta công bố, Qorvo đã cho ra mắt nhiều dòng sản phẩm bộ khuếch đại RF nhất, với công suất cao nhất lần lượt đạt 100W và 80W (công suất cao nhất của sản phẩm 4.8-5GHz của Qorvo hồi tháng 1 là 60W), và công suất cao nhất của sản phẩm 4.8-5GHz của ADI đã tăng lên 50W (công suất tối đa của các sản phẩm trước đây dưới 40W), còn công suất của các sản phẩm khác chủ yếu dưới 50W.

▌Các công ty chủ chốt trong chuỗi ngành thiết bị RF GaN tại Trung Quốc đại lục và tiến độ phát triển sản phẩm  

Do lo ngại về tốc độ phát triển công nghệ của đất nước tôi và ý định kìm hãm sự phát triển công nghệ vật liệu mới của nước tôi, các nước châu Âu và Mỹ đã áp đặt gần như hoàn toàn lệnh phong tỏa công nghệ và vật liệu đối với nước tôi, đặc biệt là về vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba.

Trong bối cảnh này, các viện nghiên cứu khoa học và các đơn vị kinh doanh của nước ta dựa trên sự đổi mới độc lập và đã đạt được những kết quả đáng kể trong lĩnh vực tần số vô tuyến vi sóng GaN. Họ đã tạo ra những đột phá trong lĩnh vực quân sự - quốc phòng và lĩnh vực truyền thông dân dụng, tạo nên các doanh nghiệp chủ chốt như CETC 13, CETC 55, ZTE, Datang Mobile, và các khách hàng lớn như China Mobile và China Unicom.

Công ty Tô Châu Nengxun đã cho ra mắt các transistor công suất RF với tần số lên đến 6GHz, điện áp hoạt động 48V và công suất thiết kế từ 10W-320W.

Về lĩnh vực truyền thông di động, Tô Châu Nengxun đã có thể cung cấp các bóng khuếch đại công suất RF hiệu suất cao và độ khuếch đại cao phù hợp cho các ứng dụng truyền thông di động như LTE, 4G và 5G. Tần số hoạt động từ 1.8-3.8GHz, điện áp hoạt động 48V, công suất thiết kế từ 130W-390W, và công suất trung bình từ 16W-55W.

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được đăng lại từ "GaN World". Bài viết này chỉ thể hiện quan điểm cá nhân của tác giả và không đại diện cho quan điểm của Sacco Micro hay ngành công nghiệp. Bài viết được đăng lại và chia sẻ chỉ nhằm mục đích bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn và tác giả khi đăng lại. Nếu có bất kỳ sự vi phạm nào, vui lòng liên hệ với chúng tôi để gỡ bỏ.

Số điện thoại công ty: +86-0755-83044319
Số fax: +86-0755-83975897
Email: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Quản lý Li

QQ: 332496225 Quản lý Qiu

Địa chỉ: Phòng 809, Tòa nhà C, Tòa nhà Công nghệ Zhantao, Số 1079 Đại lộ Minzhi, Khu Longhua Mới, Thâm Quyến