GaN射频将迎来爆发期，基站、终端、太空及国防

Yole Développement (Yole) 的分析师预测，在短短五年内，GaN射频器件市场将从大约 9 亿美元飙升至 24 亿美元（见图 1）。这种高功率密度、高效率的材料三十多年来，从最初在国防、军事雷达和电子战等应用，目前已广泛拓展至5G/LTE的电信级应用。

基站的广泛采用

华为于 2014 年开始在其 4G LTE 远程射频头 (RRH) 中使用 GaN 射频器件。 这家电信巨头决定用GaN 的高功率密度和宽带宽特性替代更具价格优势的Si LDMOS，其他 OEM 厂商们也随之效仿。如今，5G 基础设施市场正在利用 GaN 的力量。久经考验的 GaN on SiC 技术广泛用于 5G sub-6 GHz的RRH 基站，并有望在一段时间内继续保持这一优势。

图 1 GaN RF 器件市场从 2020 年到 2030 年的演变。来源：Yole Développement，2021 年GaN RF 市场：2021 年应用、主要玩家、技术报告。

由于中国运营商之间的 5G 网络共享协议，该技术也被 5G sub-6 GHz 有源天线系统 (AAS) 所采用。为了部署更高效的天线类型，中国运营商在这些低于 6 GHz 的 AAS 部署中放弃了更便宜的 LDMOS 晶体管，转而使用性能更高的 GaN on SiC 器件，这一决定启动了其他地方的 GaN 应用。今天，其他OEM已经意识到 GaN 可以为 5G 无线基础设施带来的价值，并正在转向在 SiC 晶圆上生产 6 英寸 GaN，以降低成本。

2020 年，总部位于荷兰的半导体制造商和主要 LDMOS 制造商恩智浦在亚利桑那州开设了 6 英寸 GaN on SiC 设施，表明客户对 GaN RF 技术的浓厚兴趣。今年，长期的 GaN on SiC 供应商日本住友 (SEDI) 和美国半导体制造商 II-VI 在新泽西州开设了一家 6 英寸晶圆厂，以用于生产 5G 基站用的功率晶体管。随着恩智浦和 SEDI/II-VI 的产量增加，美国半导体制造商 Wolfspeed、Qorvo 和其他供应商正在采取行动，过渡到 6 英寸 GaN on SiC 生产——明显迹象表明该技术将抢占 LDMOS 的市场份额（见图 2） ）。

图 2 GaN RF 收入和预测增长。资料来源：Yole Développement 化合物半导体季度市场监测，2021 年第三季度。

国际紧张局势

但是中美之间持续的贸易冲突呢？这对 GaN RF 器件市场有何影响？与美国一样，中国政府决心加大 GaN 投资并发展商业 5G 应用。虽然美国的制裁阻碍了中国的进步，但这些限制也促使政府鼓励发展本土的内部 GaN 生态系统。

在紧张局势刚开始时，华为和中兴都储备了库存，以便继续建设基站和其他网络基础设施。从那时起，供应链上下的许多组织不断向 GaN 投资。例子包括晶圆制造商和代工厂 SICC（山东天岳） 和 HiWafer（海威华芯）、集成设备制造商 (IDM) CETC 和 Dynax（苏州能讯） 以及华为自己的设计公司 HiSilicon（见图 3）。对中国来说重要的是，行业反馈表明，一级供应商现在正在使用中国自主组件进行生产。鉴于此，世界其他地区正在密切关注中国的进展。

图 3 全球 GaN 射频器件供应商。资料来源：Yole Développement GaN RF 市场：2021 年应用、参与者、技术报告。

GaN 手机功率放大器？

GaN 的未来还有更多。从长远来看，5G 手机也可能为 GaN 射频设备市场带来许多机会。

如今，iPhone 13 等智能手机中采用了GaAs功率放大器 (PA)，并将保持其主导地位，尤其是在sub-6 GHz 的手机中。但行业趋势正在发生变化。向更大带宽、更高功率密度和效率以及更高集成度的转变，从而节省手机射频前端的空间，意味着氮化镓将吸引更多OEM，尤其是毫米波频段。事实上，至少有一家主要半导体厂商正在为多家OEM提供采用 GaN 设计的 5G 手机 PA。在接下来的几年里，业界可能会在使用日益流行的 n77 至 n79 C 频段的旗舰手机中首次采用 GaN PA，作为毫米波和传统 sub-6 GHz蜂窝频段的替代品。

接下来可能会发生什么？如果全球有更多 OEM 需要 GaN PA，更多的Foundry将制造该技术。如果 GaN PA 被广泛用于手机的毫米波前端，则证明了该技术的成功。

碳化硅还是硅？

在此过程中，GaN on SiC 和 GaN on Si 晶圆之间的竞争将上演。凭借廉价、大直径的硅衬底，硅基氮化镓为原始设备制造商提供了一个更低成本的机会，可在已建立的、可扩展的晶圆供应的基础上开发相对便宜的基于氮化镓的器件和系统。MACOM 和ST于 2018 年联手开发了硅基氮化镓平台。英飞凌也在开发用于射频应用的硅基氮化镓。今年早些时候，美国国防巨头雷神公司和 Global Foundries 宣布合作，将 Raytheon 的 GaN on CMOS 工艺转移到 Global Foundries 进行商业化。

虽然这些都是重大的行业发展，而且硅基氮化镓更可能满足批量的，成本敏感的 5G 手机所需的高性价比 PA，但该技术并不适用于SiC基氮化镓的数十亿美元国防应用。硅基氮化镓供应链尚未完整的实现从外延到模块的开发。尽管如此，业界对 GaN on Si 和 GaN on SiC 的优缺点越来越清楚。目前，技术选择取决于 OEM 的战略和权衡观点。

飞向太空

卫星通信 (satcom) 为 GaN 提供了另一个有前途的应用场合。虽然注定是一个小众且小批量市场，但卫星通信一直吸引着许多热衷于将 GaN 应用于诸如甚小孔径终端 (VSAT) 卫星宽带等应用的行业参与者。这一市场中，来自 Qorvo、Wolfspeed 和其他公司的 GaN PA 一直在取代行波管放大器，提高可靠性并降低地面收发站的系统成本。无数大型项目在美国和欧洲如雨后春笋般涌现，推动了用于 VSAT 和其他应用的 GaN PA 的开发。

未来，GaN 的抗辐射性以及其高功率效率和功率密度将越来越多地应用于卫星，包括加拿大 Norsat International、欧洲航天局和 GaN 设备制造商 UMS、Qorvo 和 OMMIC 在内的主要行业参与者都在研究用于卫星的 GaN。

可靠的国防业务

撇开宇航应用不谈，可靠的国防市场一直是 GaN 多年的有力支撑者。来自美国政府机构和主要承包商（如诺斯罗普格鲁曼公司、洛克希德公司和雷神公司）以及国防半导体供应商 Wolfspeed 和 Qorvo 的数十亿美元项目将继续为技术开发提供资金支持。这些努力将需要一个安全且强大的供应链，这将使商业电信和其他市场受益。类似的情况正在亚洲和欧洲上演，Thales、SAAB 和 BAE Systems 等厂商都在研究 GaN 技术，这些技术也将满足商业电信市场的需求。

需要面对的挑战

虽然 GaN 射频器件市场的未来是光明的，但成功的程度仍取决于未来。对于GaN on SiC ，向 6 英寸晶圆的平稳过渡对其近期的成功至关重要。随着恩智浦、SEDI/II-VI等厂商的转型，优质晶圆的生产能否满足？如果没有，这会抑制5G GaN技术的普及吗？与此同时，手机制造商会在其 5G 设备中选择GaN on Si吗？如果这些行业参与者放弃 GaN 选项并保留 GaAs 或采用可提供足够性能的替代技术（例如 RFSOI），会发生什么情况？如果中美之间的紧张局势加深将产生什么影响？

这些只有让时间给出答案。