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氮化镓(GaN)射频器件市场:2026年预计达到24亿美元以上

发布时间:2022-03-17作者来源:萨科微浏览:381

Yole在报告《2021氮化镓射频市场:应用、主要厂商、技术和衬底》中预测,氮化镓(GaN)射频器件市场正以18%的复合年增长率(CAGR)增长,从2020年的8.91亿美元到2026年的24亿美元以上。
  该市场将由国防和5G电信基础设施应用主导,到2026年分别占整个市场的49%和41%。特别是,基于氮化镓的宏/微蜂窝领域将在2026年占氮化镓电信基础设施市场的95%以上。     相对于第一代(硅基)半导体,第三代半导体禁带宽度大,电导率高、热导率高,其具有临界击穿电场高、电子迁移率高、频率特性好等特点。   氮化镓(GalliumNitride;GaN)是最具代表性的第三代半导体材料,成为高温、高频、大功率微波器件的首选材料之一,是迄今为止理论上电光、光电转换效率最高的材料体系。   氮化镓优异特性:

目前GaN器件有三分之二应用于军工电子,如军事通讯、电子、干扰、雷达等领域;在民用领域,氮化镓主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。

未来五年,基于第三代半导体材料的电子器件将广泛应用于5G基站、新能源汽车、特高压、数据中心等场景。

       

射频氮化镓技术

是5G的绝配

氮化镓的带隙为3.4eV,而现今最常用的半导体材料硅的带隙为1.12eV,因此氮化镓在高功率和高速元件中具有比硅元件更好的性能。
  氮化镓向来以较高的功率处理能力而著称,是基地台、雷达和航空电子等无线通讯设备的首选放大器,在4G通讯系统中也已经使用多年。在5G行动通讯系统中,基地台和手机终端的资料传输速率比4G更快,调变技术的频谱利用率更高,这对射频前端元件和模块提出了更高的要求。    另外,氮化镓对电磁辐射的敏感性较低,氮化镓元件在辐射环境中显示出很高的稳定性。相比砷化镓(GaAs)晶体管,氮化镓晶体管可以在高得多的温度和电压下工作,因此是理想的微波频率功率放大元件。   作为第三代半导体材料,氮化镓的研究和应用已经有20多年的历史,但直到最近几年才开始凸显其商业化的发展前景,5G无疑是背后的主要驱动力之一。5G通讯的射频前端有着高频和高效率的严格要求,这正是氮化镓的用武之地。另外,汽车电动化和便携式电子产品快速而高效的充电需求也将驱动氮化镓功率元件走向大众市场,逐渐替代传统的硅功率元件。

▲不同材料体系射频功率晶体管对比图

▲GaNHEMT器件结构    输出功率高,附加效率高  

GaN材料体系易于形成如AlGaN/GaN等异质结材料系统,在异质结界面上存在极强的自发极化与压电极化效应,诱导产生的二维电子气浓度很高,且具有高达2000cm2/V·s的电子迁移率,因此基于GaN异质结构的晶体管又被称为高电子迁移率晶体管,即GaNHEMT(HighElectronMobilityTransistor)。同时GaN材料的击穿场强高,比Si和GaAs高出数倍;GaNHEMT器件所采用的SiC半绝缘衬底热导率优于金属铜,其良好的散热特性有利于高功率工作;GaNHEMT还具有低寄生电容及高击穿电压的特性,非常适合实现高效率功效放大器(PA,PowerAmplifier)。

长脉宽,高占空比  

GaNHEMT通常外延生长于宽禁带材料SiC半绝缘衬底上,适当控制GaNHEMT的功率密度可轻松实现长脉宽,高占空比,在大功率连续波工作均可实现。

工作频带宽,频率高  

GaNHEMT的截止频率直接决定了其应用的工作频率和瞬时带宽,它随沟道的掺杂浓度增加而上升,随沟道的厚度和栅长的增加而下降。由于Si半导体材料禁带能量的限制,其截止频率较低,因此Si半导体功率器件的工作频率只能在S波段以下工作。GaAs器件具有比其它器件好很多的载流子迁移率,截止频率很高,但受击穿场强的限制,工作电压低,导致器件输出功率小,GaNHEMT具有宽的禁带能量、高击穿场强和高饱和电子漂移速度的特性,补偿了这一不足而获得好的高频性能,GaNHEMT可以工作在更高频率,同时能有高输出功率。另外,GaNHEMT的固有特性使得其输入输出阻抗较高,电路的宽带阻抗匹配更加容易实现,使得GaNHEMT适合宽带应用。

  ▲不同材料体系射频器件功率-频率工作区间    抗辐照能力强,环境适应性强  


GaN是极稳定的化合物,具有强的原子键、高的热导率、在Ⅲ-Ⅴ族化合物中电离度是最高的、化学稳定性好,使得GaN器件比Si和GaAs有更强抗辐照能力,同时GaN又是高熔点材料,热传导率高,GaN功率器件通常采用热传导率更优的SiC做衬底,因此GaN功率器件具有较高的结温,能在高温环境下工作。

参数

Si

GaAs

GaN

禁带宽度(eV)

1.1

1.4

3.4

介电常数

11.8

12.8

9.0

击穿场强(106V/cm)

0.6

0.7

3.5

热传导率(W/cm.K)

1.3

0.5

1.3

电子迁移率(cm2/V.s)

1450

8500

900

饱和电子速率(107cm/s)

1.0

2.0

2.7

▲主要半导体材料的关键性质

GaN射频器件

在各类应用中的性能优势

移动通信基站是GaN射频器件的主要应用之一。相比于4G,5G的通信频段往高频波段迁移。目前我国4G网络通信频段以2.6GHz为主,2017年工信部发布了5G系统在3-5GHz频段(中频段)内的频率使用规划,后期会逐步增补6GHz以上的高频段作为容量覆盖。

相较SiLDMOS和GaAs,在基站端GaN射频器件更能有效满足5G的高功率、高通信频段和高效率等要求。尽管SiLDMOS可以输出大功率,但在频率方面,其仅在不超过3.5GHz频谱范围内有效,而GaAs功率放大器虽然频率可以做大,但在输出功率方面又显著逊色于GaN器件,因此,在满足高功率、高频率、大带宽的5G通信方面,GaN功率放大器是基站端的最佳选择。

军事应用——氮化镓在雷达和电子战系统中的优势  

射频氮化镓器件现在最大的市场是军事与航天领域。大约十五年前,在美国国防部的资助下,研究人员开始投入到射频氮化镓技术的研究,这才催生了现在的射频氮化镓器件市场。

根据StrategyAnalytics的统计,国防和航天应用占了射频氮化镓总市场规模的40%,雷达和电子战系统是射频氮化镓的最大应用市场。

2017年3月,雷神公司宣布其爱国者导弹防御系统采用了最新的基于氮化镓技术的天线系统。爱国者导弹防御系统是一种陆基导弹防御系统,可拦截弹道导弹、无人机和飞机。

  ▲爱国者导弹

旧爱国者系统采用的雷达技术被称为被动电子扫描阵列,新雷达系统改为主动电子扫描阵列(AESA),主动电子扫描阵列将提供给爱国者系统360度的雷达能力。

“雷神相信,升级到基于氮化镓技术的主动电子扫描阵列雷达,可以使爱国者系统保持对新型进攻武器优势。”雷神空中和导弹综合防御业务发展副总裁TimGlaeser说道。

主动电子扫描阵列雷达是基于相控阵技术,相控阵设备包含一组可以单独控制的天线,利用波束成形技术,可以让这组天线转向不同的方向。

值得注意的是,这些技术正在从军用转向商用。例如,主动电子扫描阵列和相控阵技术已经被用于60GHz毫米波Wi-Fi技术、汽车雷达系统和无线基站等。此外,5G中将广泛采用相控阵技术。

同时,氮化镓工艺制造的功率放大器也已经用于点对点通信的军用手持式无线电中。

商业应用——氮化镓在电源管理的性能优势  


氮化镓是一种宽能隙(WBG)半导体材料,与传统的硅半导体材料相比,它能够让功率元件在更高的电压、频率和温度下运作。在电源管理应用上,氮化镓的优势包括:
  • 传导损耗小,能效高。氮化镓晶体管的导通电阻(Rds,on)是传统硅元件的一半,在相同输出电流下损耗更小,能效更高。低损耗同时意味着低发热,从而可以有效地简化散热元件和热管理系统设计;

  • 氮化镓晶体管内不含体二极管,没有反向恢复损耗;

  • 氮化镓晶体管的输入电荷非常小,几乎没有闸极驱动损耗;

  • 氮化镓功率元件可以支援更高的开关频率(氮化镓:1MHz,硅:<100KHz),从而减小被动元件的体积;

  • 氮化镓元件的功率密度很大,能够达到硅基LDMOS的四倍以上,在减小体积的同时可以增加输出功率。



     

英飞凌(Infineon)大中华区电源管理及多元电子事业处资深营销经理陈清源对同为第三代半导体材料的氮化镓和SiC的优缺点进行了对比,二者都具有快速开关性能,有助于提高效率,但是氮化镓比硅的损耗低。

在应用场景下进一步对比可以发现,在高功率和更高压应用场景下,SiC体现出很好的成熟度和性价比;而在100V~600V的低中压应用中,氮化镓就能够发挥出更高的性价比。就结构来看,氮化镓是横向结构(比如JFET),很难达到SiCMOSFET(垂直结构)的高电压能力。

氮化镓对于本征是常关的开关更具吸引力,它代表着迄今所用的全部硅晶体管的后续技术。此外,从整体系统的角度考虑,氮化镓的优势在于能够使拓扑结构变得更加紧凑。

英飞凌研发的CoolGaN系列产品是一种氮化镓增强模式高电子迁移率晶体管(E-HEMT),非常适合高压下执行更高频率的开关,可以做到设计轻薄、功率密度进一步提高,从而使转换效率有更大的提升,降低整个系统的成本。

安森美半导体(ONSemiconductor)战略营销总监YongAng进一步解释,氮化镓元件相比硅元件的寄生电容低,因而可以降低门极电荷Qg相关的开关损耗,使开关频率提高到几百kHz至MHz范围,而不降低能效。

与硅功率元件不同,氮化镓因为没有体二极管,在铝镓氮(AlGaN)/氮化镓边界表面的二维电子气(2DEG)可以反向传导电流,但没有反向恢复电荷QRR,非常适合硬开关应用。

由于氮化镓对过电压的敏感性和相对于硅非常有限的雪崩能力,特别适合半桥拓扑,其中漏源电压钳位元到轨道电压。氮化镓在谐振LLC、主动钳位反驰,以及硬开关图腾柱PFC等零电压开关(ZVS)拓扑结构中具有很大的吸引力。

  ▲不同应用领域主流射频器件技术路线演进

全球 GaN射频器件

产业链竞争格局

目前,射频器件的主要市场如下:手机和通讯模块市场,约占80%;WIFI路由器市场,约占9%;通讯基站市场,约占9%;NB-IoT市场,约占2%。


境外 GaN射频器件产业链重点公司及产品进展  

GaN 微波射频器件产品推出速度明显加快。目前微波射频领域虽然备受关注,但是由于技术水平较高,专利壁垒过大,因此这个领域的公司相比较电力电子领域和光电子领域并不算很多,但多数都具有较强的科研实力和市场运作能力。GaN 微波射频器件的商业化供应发展迅速。

Qorvo 产品工作频率范围最大,Skyworks 产品工作频率较小。Qorvo、CREE、MACOM 73%的产品输出功率集中在 10W~100W 之间,最大功率达到 1500W(工作频率在 1.0-1.1GHz,由 Qorvo 生产),采用的技术主要是 GaN/SiC GaN 路线。

此外,部分企业提供 GaN 射频模组产品,目前有 4家企业对外提供 GaN 射频放大器的销售,其中 Qorvo 产品工作频率范围最大,最大工作频率可达到 31GHz。Skyworks 产品工作频率较小,主要集中在 0.05-1.218GHz 之间。

Qorvo 射频放大器的产品类别最多。在我国工信部公布的 2 个 5G 工作频段(3.3-3.6GHz、4.8-5GHz,)内,Qorvo 公司推出的射频放大器的产品类别最多,最高功率分别高达 100W 和 80W(1 月份 Qorvo 在 4.8-5GHz 的产品最高功率为 60W),ADI 在 4.8-5GHz 的产品最高功率提高到 50W(之前产品的最高功率不到 40W),其他产品的功率大部分在 50W 以下。

大陆 GaN射频器件产业链重点公司及产品进展  

欧美国家出于对我国技术发展速度的担忧及遏制我国新材料技术的发展想法,在第三代半导体材料方面,对我国进行几乎全面技术封锁和材料封锁。

在此情况下,我国科研机构和企业单位立足自主创新,目前在 GaN 微波射频领域已取得显著成效,在军事国防领域和民用通信领域两个领域进行突破,打造了中电科 13 所、中电科 55 所、中兴通信、大唐移动等重点企业以及中国移动、中国联通等大客户。

苏州能讯推出了频率高达 6GHz、工作电压 48V、设计功率从 10W-320W的射频功率晶体管。

在移动通信方面,苏州能讯已经可以提供适合 LTE、4G、5G 等移动通信应用的高效率和高增益的射频功放管,工作频率涵盖1.8-3.8GHz,工作电压 48V,设计功率从 130W-390W,平均功率为 16W-55W。




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