Yole在報告《2021氮化鎵射頻市場：應(yīng)用、主要廠商、技術(shù)和襯底》中預(yù)測，氮化鎵（GaN）射頻器件市場正以18%的復(fù)合年增長率（CAGR）增長，從2020年的8.91億美元到2026年的24億美元以上。

該市場將由國防和5G電信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用主導(dǎo)，到2026年分別占整個市場的49%和41%。特別是，基于氮化鎵的宏/微蜂窩領(lǐng)域?qū)⒃?026年占氮化鎵電信基礎(chǔ)設(shè)施市場的95%以上。

相對于第一代（硅基）半導(dǎo)體，第三代半導(dǎo)體禁帶寬度大，電導(dǎo)率高、熱導(dǎo)率高，其具有臨界擊穿電場高、電子遷移率高、頻率特性好等特點。

氮化鎵(GalliumNitride；GaN)是最具代表性的第三代半導(dǎo)體材料，成為高溫、高頻、大功率微波器件的首選材料之一，是迄今為止理論上電光、光電轉(zhuǎn)換效率最高的材料體系。

目前GaN器件有三分之二應(yīng)用于軍工電子，如軍事通訊、電子、干擾、雷達等領(lǐng)域；在民用領(lǐng)域，氮化鎵主要被應(yīng)用于通訊基站、功率器件等領(lǐng)域。

 

未來五年，基于第三代半導(dǎo)體材料的電子器件將廣泛應(yīng)用于5G基站、新能源汽車、特高壓、數(shù)據(jù)中心等場景。

 

氮化鎵的帶隙為3.4eV，而現(xiàn)今最常用的半導(dǎo)體材料硅的帶隙為1.12eV，因此氮化鎵在高功率和高速元件中具有比硅元件更好的性能。
 

氮化鎵向來以較高的功率處理能力而著稱，是基地臺、雷達和航空電子等無線通訊設(shè)備的首選放大器，在4G通訊系統(tǒng)中也已經(jīng)使用多年。在5G行動通訊系統(tǒng)中，基地臺和手機終端的資料傳輸速率比4G更快，調(diào)變技術(shù)的頻譜利用率更高，這對射頻前端元件和模塊提出了更高的要求。 
 

另外，氮化鎵對電磁輻射的敏感性較低，氮化鎵元件在輻射環(huán)境中顯示出很高的穩(wěn)定性。相比砷化鎵(GaAs)晶體管，氮化鎵晶體管可以在高得多的溫度和電壓下工作，因此是理想的微波頻率功率放大元件。
 

作為第三代半導(dǎo)體材料，氮化鎵的研究和應(yīng)用已經(jīng)有20多年的歷史，但直到最近幾年才開始凸顯其商業(yè)化的發(fā)展前景，5G無疑是背后的主要驅(qū)動力之一。5G通訊的射頻前端有著高頻和高效率的嚴格要求，這正是氮化鎵的用武之地。另外，汽車電動化和便攜式電子產(chǎn)品快速而高效的充電需求也將驅(qū)動氮化鎵功率元件走向大眾市場，逐漸替代傳統(tǒng)的硅功率元件。

 

▲不同材料體系射頻功率晶體管對比圖

▲GaNHEMT器件結(jié)構(gòu)

GaN材料體系易于形成如AlGaN/GaN等異質(zhì)結(jié)材料系統(tǒng)，在異質(zhì)結(jié)界面上存在極強的自發(fā)極化與壓電極化效應(yīng)，誘導(dǎo)產(chǎn)生的二維電子氣濃度很高，且具有高達2000cm2/V·s的電子遷移率，因此基于GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的晶體管又被稱為高電子遷移率晶體管，即GaNHEMT(HighElectronMobilityTransistor)。同時GaN材料的擊穿場強高，比Si和GaAs高出數(shù)倍；GaNHEMT器件所采用的SiC半絕緣襯底熱導(dǎo)率優(yōu)于金屬銅，其良好的散熱特性有利于高功率工作；GaNHEMT還具有低寄生電容及高擊穿電壓的特性，非常適合實現(xiàn)高效率功效放大器(PA，PowerAmplifier)。

 

GaNHEMT通常外延生長于寬禁帶材料SiC半絕緣襯底上，適當控制GaNHEMT的功率密度可輕松實現(xiàn)長脈寬，高占空比，在大功率連續(xù)波工作均可實現(xiàn)。

 

GaNHEMT的截止頻率直接決定了其應(yīng)用的工作頻率和瞬時帶寬，它隨溝道的摻雜濃度增加而上升，隨溝道的厚度和柵長的增加而下降。由于Si半導(dǎo)體材料禁帶能量的限制，其截止頻率較低，因此Si半導(dǎo)體功率器件的工作頻率只能在S波段以下工作。GaAs器件具有比其它器件好很多的載流子遷移率，截止頻率很高，但受擊穿場強的限制，工作電壓低，導(dǎo)致器件輸出功率小，GaNHEMT具有寬的禁帶能量、高擊穿場強和高飽和電子漂移速度的特性，補償了這一不足而獲得好的高頻性能，GaNHEMT可以工作在更高頻率，同時能有高輸出功率。另外，GaNHEMT的固有特性使得其輸入輸出阻抗較高，電路的寬帶阻抗匹配更加容易實現(xiàn)，使得GaNHEMT適合寬帶應(yīng)用。

 

 

▲不同材料體系射頻器件功率-頻率工作區(qū)間

GaN是極穩(wěn)定的化合物，具有強的原子鍵、高的熱導(dǎo)率、在Ⅲ-Ⅴ族化合物中電離度是最高的、化學穩(wěn)定性好，使得GaN器件比Si和GaAs有更強抗輻照能力，同時GaN又是高熔點材料，熱傳導(dǎo)率高，GaN功率器件通常采用熱傳導(dǎo)率更優(yōu)的SiC做襯底，因此GaN功率器件具有較高的結(jié)溫，能在高溫環(huán)境下工作。

▲主要半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵性質(zhì)

移動通信基站是GaN射頻器件的主要應(yīng)用之一。相比于4G，5G的通信頻段往高頻波段遷移。目前我國4G網(wǎng)絡(luò)通信頻段以2.6GHz為主，2017年工信部發(fā)布了5G系統(tǒng)在3-5GHz頻段（中頻段）內(nèi)的頻率使用規(guī)劃，后期會逐步增補6GHz以上的高頻段作為容量覆蓋。

 

相較SiLDMOS和GaAs，在基站端GaN射頻器件更能有效滿足5G的高功率、高通信頻段和高效率等要求。盡管SiLDMOS可以輸出大功率，但在頻率方面，其僅在不超過3.5GHz頻譜范圍內(nèi)有效，而GaAs功率放大器雖然頻率可以做大，但在輸出功率方面又顯著遜色于GaN器件，因此，在滿足高功率、高頻率、大帶寬的5G通信方面，GaN功率放大器是基站端的最佳選擇。

 

射頻氮化鎵器件現(xiàn)在最大的市場是軍事與航天領(lǐng)域。大約十五年前，在美國國防部的資助下，研究人員開始投入到射頻氮化鎵技術(shù)的研究，這才催生了現(xiàn)在的射頻氮化鎵器件市場。

 

根據(jù)StrategyAnalytics的統(tǒng)計，國防和航天應(yīng)用占了射頻氮化鎵總市場規(guī)模的40%，雷達和電子戰(zhàn)系統(tǒng)是射頻氮化鎵的最大應(yīng)用市場。

 

2017年3月，雷神公司宣布其愛國者導(dǎo)彈防御系統(tǒng)采用了最新的基于氮化鎵技術(shù)的天線系統(tǒng)。愛國者導(dǎo)彈防御系統(tǒng)是一種陸基導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，可攔截彈道導(dǎo)彈、無人機和飛機。

 

 

▲愛國者導(dǎo)彈

舊愛國者系統(tǒng)采用的雷達技術(shù)被稱為被動電子掃描陣列，新雷達系統(tǒng)改為主動電子掃描陣列（AESA），主動電子掃描陣列將提供給愛國者系統(tǒng)360度的雷達能力。

 

“雷神相信，升級到基于氮化鎵技術(shù)的主動電子掃描陣列雷達，可以使愛國者系統(tǒng)保持對新型進攻武器優(yōu)勢。”雷神空中和導(dǎo)彈綜合防御業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁TimGlaeser說道。

 

主動電子掃描陣列雷達是基于相控陣技術(shù)，相控陣設(shè)備包含一組可以單獨控制的天線，利用波束成形技術(shù)，可以讓這組天線轉(zhuǎn)向不同的方向。

 

值得注意的是，這些技術(shù)正在從軍用轉(zhuǎn)向商用。例如，主動電子掃描陣列和相控陣技術(shù)已經(jīng)被用于60GHz毫米波Wi-Fi技術(shù)、汽車雷達系統(tǒng)和無線基站等。此外，5G中將廣泛采用相控陣技術(shù)。

 

同時，氮化鎵工藝制造的功率放大器也已經(jīng)用于點對點通信的軍用手持式無線電中。

 

 

氮化鎵是一種寬能隙(WBG)半導(dǎo)體材料，與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體材料相比，它能夠讓功率元件在更高的電壓、頻率和溫度下運作。在電源管理應(yīng)用上，氮化鎵的優(yōu)勢包括：

傳導(dǎo)損耗小，能效高。氮化鎵晶體管的導(dǎo)通電阻(Rds,on)是傳統(tǒng)硅元件的一半，在相同輸出電流下?lián)p耗更小，能效更高。低損耗同時意味著低發(fā)熱，從而可以有效地簡化散熱元件和熱管理系統(tǒng)設(shè)計；

 

氮化鎵晶體管內(nèi)不含體二極管，沒有反向恢復(fù)損耗；

 

氮化鎵晶體管的輸入電荷非常小，幾乎沒有閘極驅(qū)動損耗；

 

氮化鎵功率元件可以支援更高的開關(guān)頻率(氮化鎵：1MHz，硅：<100KHz)，從而減小被動元件的體積；

 

氮化鎵元件的功率密度很大，能夠達到硅基LDMOS的四倍以上，在減小體積的同時可以增加輸出功率。

 

英飛凌(Infineon)大中華區(qū)電源管理及多元電子事業(yè)處資深營銷經(jīng)理陳清源對同為第三代半導(dǎo)體材料的氮化鎵和SiC的優(yōu)缺點進行了對比，二者都具有快速開關(guān)性能，有助于提高效率，但是氮化鎵比硅的損耗低。

 

在應(yīng)用場景下進一步對比可以發(fā)現(xiàn)，在高功率和更高壓應(yīng)用場景下，SiC體現(xiàn)出很好的成熟度和性價比；而在100V~600V的低中壓應(yīng)用中，氮化鎵就能夠發(fā)揮出更高的性價比。就結(jié)構(gòu)來看，氮化鎵是橫向結(jié)構(gòu)(比如JFET)，很難達到SiCMOSFET(垂直結(jié)構(gòu))的高電壓能力。

 

氮化鎵對于本征是常關(guān)的開關(guān)更具吸引力，它代表著迄今所用的全部硅晶體管的后續(xù)技術(shù)。此外，從整體系統(tǒng)的角度考慮，氮化鎵的優(yōu)勢在于能夠使拓撲結(jié)構(gòu)變得更加緊湊。

 

英飛凌研發(fā)的CoolGaN系列產(chǎn)品是一種氮化鎵增強模式高電子遷移率晶體管(E-HEMT)，非常適合高壓下執(zhí)行更高頻率的開關(guān)，可以做到設(shè)計輕薄、功率密度進一步提高，從而使轉(zhuǎn)換效率有更大的提升，降低整個系統(tǒng)的成本。

 

安森美半導(dǎo)體(ONSemiconductor)戰(zhàn)略營銷總監(jiān)YongAng進一步解釋，氮化鎵元件相比硅元件的寄生電容低，因而可以降低門極電荷Qg相關(guān)的開關(guān)損耗，使開關(guān)頻率提高到幾百kHz至MHz范圍，而不降低能效。

 

與硅功率元件不同，氮化鎵因為沒有體二極管，在鋁鎵氮(AlGaN)/氮化鎵邊界表面的二維電子氣(2DEG)可以反向傳導(dǎo)電流，但沒有反向恢復(fù)電荷QRR，非常適合硬開關(guān)應(yīng)用。

 

由于氮化鎵對過電壓的敏感性和相對于硅非常有限的雪崩能力，特別適合半橋拓撲，其中漏源電壓鉗位元到軌道電壓。氮化鎵在諧振LLC、主動鉗位反馳，以及硬開關(guān)圖騰柱PFC等零電壓開關(guān)(ZVS)拓撲結(jié)構(gòu)中具有很大的吸引力。

 

 

▲不同應(yīng)用領(lǐng)域主流射頻器件技術(shù)路線演進

目前，射頻器件的主要市場如下：手機和通訊模塊市場，約占80%；WIFI路由器市場，約占9%；通訊基站市場，約占9%；NB-IoT市場，約占2%。

 

GaN 微波射頻器件產(chǎn)品推出速度明顯加快。目前微波射頻領(lǐng)域雖然備受關(guān)注，但是由于技術(shù)水平較高，專利壁壘過大，因此這個領(lǐng)域的公司相比較電力電子領(lǐng)域和光電子領(lǐng)域并不算很多，但多數(shù)都具有較強的科研實力和市場運作能力。GaN 微波射頻器件的商業(yè)化供應(yīng)發(fā)展迅速。

 

Qorvo 產(chǎn)品工作頻率范圍最大，Skyworks 產(chǎn)品工作頻率較小。Qorvo、CREE、MACOM 73%的產(chǎn)品輸出功率集中在 10W～100W 之間，最大功率達到 1500W（工作頻率在 1.0-1.1GHz，由 Qorvo 生產(chǎn)），采用的技術(shù)主要是 GaN/SiC GaN 路線。

 

此外，部分企業(yè)提供 GaN 射頻模組產(chǎn)品，目前有 4家企業(yè)對外提供 GaN 射頻放大器的銷售，其中 Qorvo 產(chǎn)品工作頻率范圍最大，最大工作頻率可達到 31GHz。Skyworks 產(chǎn)品工作頻率較小，主要集中在 0.05-1.218GHz 之間。

 

Qorvo 射頻放大器的產(chǎn)品類別最多。在我國工信部公布的 2 個 5G 工作頻段（3.3-3.6GHz、4.8-5GHz，）內(nèi)，Qorvo 公司推出的射頻放大器的產(chǎn)品類別最多，最高功率分別高達 100W 和 80W（1 月份 Qorvo 在 4.8-5GHz 的產(chǎn)品最高功率為 60W），ADI 在 4.8-5GHz 的產(chǎn)品最高功率提高到 50W（之前產(chǎn)品的最高功率不到 40W），其他產(chǎn)品的功率大部分在 50W 以下。

 

 

 

▌大陸 GaN射頻器件產(chǎn)業(yè)鏈重點公司及產(chǎn)品進展

歐美國家出于對我國技術(shù)發(fā)展速度的擔憂及遏制我國新材料技術(shù)的發(fā)展想法，在第三代半導(dǎo)體材料方面，對我國進行幾乎全面技術(shù)封鎖和材料封鎖。

 

在此情況下，我國科研機構(gòu)和企業(yè)單位立足自主創(chuàng)新，目前在 GaN 微波射頻領(lǐng)域已取得顯著成效，在軍事國防領(lǐng)域和民用通信領(lǐng)域兩個領(lǐng)域進行突破，打造了中電科 13 所、中電科 55 所、中興通信、大唐移動等重點企業(yè)以及中國移動、中國聯(lián)通等大客戶。

 

蘇州能訊推出了頻率高達 6GHz、工作電壓 48V、設(shè)計功率從 10W-320W的射頻功率晶體管。

 

在移動通信方面，蘇州能訊已經(jīng)可以提供適合 LTE、4G、5G 等移動通信應(yīng)用的高效率和高增益的射頻功放管，工作頻率涵蓋1.8-3.8GHz，工作電壓 48V，設(shè)計功率從 130W-390W，平均功率為 16W-55W。