Перспективы применения GaN-радиоприборов

Перспективы применения GaN-радиоприборов

Выпуск 25(6724) от 24 декабря 2020 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Большинство экспертов в области составных полупроводников считают технологию на базе нитрида галлия (GaN) одной из ключевых, обладающих потенциалом большого роста. Приборы на основе GaN разрабатываются уже давно, и эта технология достаточно хорошо отработана. Последние достижения в технологии изготовления GaN-радиоприборов позволили снизить издержки производства, что благоприятно сказывается на рыночных перспективах.

По данным исследовательской группы Yole Développement, благодаря неизменно высокому спросу военных подрядчиков и изготовителей средств связи GaN-радиоприборы готовы к массовому росту и расширению доли рынка за счет LDMOS- и GaAs-приборов.

В 2019 г. Yole Développement оценила рынок GaN-радиоприборов в 740 млн долл. и прогнозирует, что эта цифра превысит 2 млрд долл. к 2025 г. (рис. 1). При этом один из типов GaN-радиоприборов, реализуемых по технологии «GaN-на-SiC», захватит долю рынка у традиционных приборов – ​«LDMOS-на-Si»- и GaAs-приборов – ​в оборонном, телекоммуникационном и инфраструктурном секторах.



Источник: Yole Developpement)

Рисунок 1. Прогноз рынка GaN-радиоприборов


Многообещающие разработки поступают на рынок от таких фирм, как NXP, II-VI Advanced Materials и Sumitomo Electric Devices Innovations. И NXP, и дуэт II-VI/Sumitomo строят в США заводы по производству «GaN-на-SiC»-приборов на пластинах диаметром 150 мм, переходя к ним от производства на 100-мм пластинах, что обеспечивает потенциальную экономию за счет роста масштабов производства (на 150-мм пластине размещается почти вдвое больше однотипных кристаллов ИС, чем на 100-мм пластине).

Многие также обращают внимание на менее устоявшуюся технологию «GaN-на-кремнии», которая еще может прочно закрепиться в средствах связи 5G благодаря переходу на пластины большего диаметра, снижению стоимости и увеличению доступности подложек. Компания Macom, базирующаяся в США, объединилась с европейской STMicroelectronics, чтобы разработать технологию для производителей телекоммуникационного оборудования, а французский специализированный кремниевый завод OMMIC также предлагает процессы «GaN-на-кремнии» для создания приборов, работающих в диапазоне миллиметровых волн. Другие игроки отрасли также работают над решениями на основе «GaN-на-кремнии» для перспективных приложений входных РЧ-каскадов 5G-телефонов, но не распространяются на эту тему.

Тем не менее с точки зрения производительности ни одна технология не может сравниться с «GaN-на-алмазе». Несмотря на огромные затраты, алмазная подложка предлагает самую высокую теплопроводность из всех известных материалов, что делает технологию идеальной для высокопроизводительных приложений с высокой мощностью, включая радары военного назначения и спутниковую связь. Соединить GaN и алмаз непросто, но такие компании, как RFHIC (Южная Корея) и американская Akash Systems, сумели добиться успехов.

Важно отметить, что широко известные торгово-технологические противоречия между США и КНР оказывают огромное влияние на рост рынка: КНР, США и Европа активизируют внутреннюю деятельность и создают более автономные цепочки поставок GaN-радиоприборов для обхода ограничений. Весь вопрос теперь в том, когда Китай станет полностью автономным. Данная ситуация побуждает развивать собственные цепочки поставок и другие страны, что ведет к серьезным изменениям на мировом рынке уже в обозримом будущем.

Ключевым рынком для GaN-радиоприборов всегда были электронные системы военного назначения, причем наибольший рост в настоящее время приходится на радары, включая наземные, бортовые, космические и морские. Переход от старой технологии ламп бегущей волны (ЛБВ) к твердотельным системам с активной электронно-сканируемой решеткой (AESA) обеспечил бóльшие возможности обнаружения целей, более высокие скорость сканирования, пространственное разрешение и масштабируемость (рис. 2).



Источник: Yole Developpement

Рисунок 2. Перспективы рынков технологий «GaN-на-SiC», «GaN-на-кремнии» и «GaN-на-алмазе»


Благодаря высокой плотности мощности, эффективности и теплопроводности технология «GaN-на-SiC» способна обеспечить высокую производительность при небольшом весе конечной электронной системы и меньшей занимаемой ею площади. Учитывая это, исследовательское подразделение Министерства обороны США, DARPA, вкладывает все больше и больше денег в радарные GaN-технологии совместно с такими тяжеловесами отрасли, как Raytheon, Northrop Grumman и Lockheed Martin (которые также финансируют и собственные долгосрочные программы).

Европа, Южная Корея и Китай последовали примеру США и реализуют большое количество программ по GaN-системам. Благодаря этому транзисторы и монолитные СВЧ ИС (MMIC) на основе «GaN-на-SiC» постепенно вытесняют приборы на LDMOS и GaAs.

Однако технология «GaN-на-SiC» по-прежнему остается относительно дорогой по сравнению с конкурирующими подходами. И LDMOS-, и GaAs-транзисторы изготавливаются на 150-мм пластинах, тогда как устройства «GaN-на-SiC» – ​преимущественно на 100-мм пластинах. Более того, по сравнению с кремниевыми производство SiC-пластин находится в зачаточном состоянии, а ограниченное количество поставщиков SiC в отрасли мешает снижению затрат.

В то же время похоже, что никакая другая технология не способна обеспечить в ближайшее время плотность мощности и другие преимущества, сопоставимые с теми, что предлагает «GaN-на-SiC», и соответственно, она становится предпочтительной в твердотельных системах с активной электронно-сканируемой решеткой. Ввиду одновременного роста спроса на средства радиоэлектронной борьбы и военной связи специалисты Yole ожидают, что продажи «GaN-на-SiC»-радиоприборов достигнут в 2025 г. 1 млрд долл., что составит половину ожидаемых продаж всех GaN-радиоприборов.

Технология GaN впервые появилась на рынке телекоммуникаций в 2007 г., когда Sumitomo начала использовать такие приборы в своих базовых станциях 3G. В 2014 г.Huawei интегрировала GaN-технологию в свои базовые станции стандарта 4G LTE с удаленными радиоблоками (Remote Radiohead, RRH), что дало новый импульс развитию. С этого момента операторы связи используют все больше и больше GaN-радиоприборов, стремясь максимально использовать высокую плотность мощности и малый форм-фактор антенн. Отмечается, что цепочки поставок GaN-радиоприборов в основном связаны с пятью мировыми центрами – ​КНР, ЕС, США, Южная Корея и Япония (рис. 3).



Источник: Yole Developpement

Рисунок 3. Цепочка поставок GaN радиоприборов

* Неполный список.

** Страны или регионы предпочитают иметь собственную экосистему GaN-радиоприборов военного назначения, но эта цепочка поставок не является эксклюзивной для каждой страны.


Переход на сети и средства связи 5G побудил все большее количество производителей инфраструктурного оборудования во всем мире использовать в системах RRH приборы на основе GaN (в последнее время это же наблюдается и в секторе активных антенных систем – ​AAS). В то время как сети 4G работают на частоте около 2,6 ГГц, сети 5G будут работать за пределами частот 3 ГГц в двух режимах – ​ниже 6 ГГц и в диапазоне миллиметровых волн, что открывает широкие перспективы использования GaN-приборов.

На частотах 3 ГГц и выше базовые станции с удаленными радиоблоками передают с высокой мощностью и требуют очень высокой плотности мощности, которую действительно может обеспечить только GaN. В результате все больше и больше производителей систем RRH отходят от LDMOS- и GaAs-приборов и переходят к устройствам на основе «GaN-на-SiC». Между тем в развивающемся сегменте активных антенных систем с диапазоном частот ниже 6 ГГц конкуренция технологий GaN и LDMOS будет продолжаться. Хотя высокая плотность мощности не является проблемой, для инфраструктуры AAS требуются транзисторы, которые покрывают большую полосу частот. Экономичный LDMOS по-прежнему может обеспечивать здесь высокие частотные характеристики, но технология GaN имеет преимущество в виде большей полосы пропускания, эффективности с добавлением мощности и выходной мощности. Поэтому специалисты Yole ожидают, что «GaN-на-SiC»-приборы со временем завоюют большую долю рынка.

Отмечается, что технологии «GaN-на-SiC» и «GaN-на-кремнии» борются за долю рынка с такими технологиями, как GaAs, SiGe, «кремний-на-изоляторе» (КНИ/SOI) и КМОП. Узкими местами для GaN-технологии, по сравнению с конкурирующими, могут оказаться стоимость, размер пластин и доступность материалов.

Относительно телефонов 5G специалисты Yole полагают, что в ближайшие пять лет фаворит отрасли, GaAs-технология, сохранит свое доминирующее положение, поскольку по-прежнему соответствует требованиям к линейности и мощности. Тем не менее в гонке за экономию места во входных РЧ-каскадах технология «GaN-на-кремнии» (с ее высокой плотностью мощности и эффективностью) предлагает значительные преимущества. Отмечается, что по крайней мере одна крупная компания работает над технологией «GaN-на-кремнии» применительно к мобильным телефонам – ​при том что еще 10 лет назад никто бы не поверил, что GaN-приборы когда-нибудь будут там использоваться. Параллельно с этим технология «GaN-на-кремнии» представляет большой интерес для различных потребительских и промышленных систем – ​от СВЧ-печей до автомобильных систем зажигания.

Без сомнения, технология GaN быстро осваивается в различных применениях. Хотя она в первую очередь предназначена для растущего количества систем военного назначения, у нее есть хорошие перспективы и во многих коммерческих приложениях, начиная с инфраструктуры 5G и заканчивая, возможно, мобильными телефонами. Хотя американо-китайские противоречия отразились на рынке GaN-радиоприборов, в долгосрочной перспективе вызванное ими укрепление внутренних цепочек поставок будет способствовать повышению устойчивости мирового рынка.


Dogmus Ezgi, Ben Slimane Ahmed, Chiu Poshun. The Rise and Rise of RF GaN. i-Micronews, November 26, 2020: https://www.i-micronews.com/the-rise-and-rise-of-RF-gan/utm_source=ZohoCampaigns&utm_campaign=iMN_27Novembre_2020_Asia&utm_medium=email


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.