GaN 技術(shù)持續(xù)為國(guó)防和電信市場(chǎng)提供性能和效率。目前射頻市場(chǎng)應(yīng)用以碳化硅基氮化鎵器件為主。雖然硅基氮化鎵（GaN-on-Si）目前不會(huì)威脅到碳化硅基氮化鎵的主導(dǎo)地位，但它的出現(xiàn)將影響供應(yīng)鏈，并可能塑造未來的電信技術(shù)。

20 世紀(jì) 90 年代，美國(guó)國(guó)防部認(rèn)識(shí)到 RF GaN-on-SiC 與 InP、GaAs HBT、GaAs HEMT 和 Si LDMOS 等材料相比具有更高的輸出功率和效率。RF GaN 具有更寬的帶寬，并且能夠減小系統(tǒng)尺寸。隨著電信基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)展其頻率和基站模型，這兩種功能都受到需求。這些功率和效率屬性導(dǎo)致了國(guó)防領(lǐng)域的廣泛采用，其中 RF GaN-on-SiC 可以應(yīng)對(duì)機(jī)載雷達(dá)等高功率應(yīng)用中的熱調(diào)節(jié)挑戰(zhàn)。

國(guó)防仍然是射頻 GaN 市場(chǎng)最大的領(lǐng)域之一。與此同時(shí)，RF GaN 已開始被衛(wèi)星通信 (satcom) 市場(chǎng)采用，與其他材料相比，其效率較高，可實(shí)現(xiàn)更小的設(shè)備尺寸，從而在系統(tǒng)級(jí)釋放寶貴的空間。Yole Group 的 RF GaN 2023 報(bào)告預(yù)測(cè)，從 2022 年到 2028 年，國(guó)防和衛(wèi)星通信領(lǐng)域的復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 預(yù)計(jì)將分別達(dá)到 13% 和 18%。這將推動(dòng)國(guó)防市場(chǎng)估計(jì)達(dá)到 1 美元億美元的收入，而衛(wèi)星通信市場(chǎng)的收入預(yù)計(jì)將在 2028 年達(dá)到 2.7 億美元。Yole Intelligence 對(duì) RF GaN 收入和細(xì)分的預(yù)測(cè)如圖 1所示。

電信基礎(chǔ)設(shè)施中的 RF GAN

2023年，主流GaN技術(shù)是在SiC襯底上。這項(xiàng)成熟的技術(shù)展現(xiàn)了顯著的特性，例如在 6 GHz 以下頻率下增強(qiáng)的功率附加效率、導(dǎo)熱性和功率密度。華為于 2015 年首次推出 GaN-on-SiC，并于 2020 年開始量產(chǎn)，用于 4G 基站。從那時(shí)起，GaN RF 電信行業(yè)通過推動(dòng)對(duì)具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的 6 英寸 SiC 晶圓的需求，已發(fā)展成為一個(gè)大批量市場(chǎng)。截至 2023 年，6 英寸 SiC 晶圓已投入商用，領(lǐng)先廠商的工廠正在進(jìn)行轉(zhuǎn)型。SEDI、Wolfspeed、NXP 和 Qorvo 等世界各地的公司也進(jìn)行了大量投資，確保 GaN-on-SiC 在其目標(biāo)應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位，并取代其對(duì)應(yīng)的 Si LDMOS。圖2顯示了各種射頻功率技術(shù)在電信基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)中的市場(chǎng)份額的預(yù)期演變。

4G 微和宏站點(diǎn)基站主要基于遠(yuǎn)程無線電頭端 (RRH)，它將基站的 RF 鏈和模數(shù)轉(zhuǎn)換組件與多達(dá) 8 個(gè)功率高達(dá) 100 W 的多流功率放大器 (PA) 集成在一起的輸出功率。隨著 4G 時(shí)代即將結(jié)束，3 GHz 基站對(duì)基于 LDMOS 的 PA 的依賴預(yù)計(jì)將會(huì)減少。新興的 6 GHz 以下 5G 基站正在從 2 × 2 MIMO 模型轉(zhuǎn)向 64 × 64 大規(guī)模 MIMO (mMIMO) 模型，并采用有源天線系統(tǒng) (AAS) 來取代 RRH。除了增加 PA 數(shù)量之外，該架構(gòu)預(yù)計(jì)每個(gè) PA 的輸出功率也會(huì)較低。這些輸出功率范圍為 100 至 5 W。PA 還需要在處理不斷增加的數(shù)據(jù)流量的同時(shí)降低功耗。圖3展示了 5G 電信基礎(chǔ)設(shè)施演進(jìn)的愿景。

GaN 可以滿足所有這些要求。隨著 GaN-on-SiC 解決 5G 頻率高達(dá) 7 GHz 的問題，LDMOS 市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)將下降。短期內(nèi)，隨著印度等新區(qū)域市場(chǎng)采用 AAS 建設(shè)電信基礎(chǔ)設(shè)施，RF GaN-on-SiC 預(yù)計(jì)也將受益于進(jìn)一步滲透。對(duì)于5G毫米波和6G，由于要求更加注重高頻和低功耗，射頻GaN技術(shù)預(yù)計(jì)將面臨與SiGe和InP等其他材料更激烈的競(jìng)爭(zhēng)。

為GaN on Si騰出空間

由于 6 GHz 以下 5G 電信基站需要功率較低的 PA，因此 GaN-on-Si 可以在低于 10 W 的 32T32R 和 64T64R mMIMO 基站中找到最佳位置。在過去兩年中，該生態(tài)系統(tǒng)不斷發(fā)展。擁有 MACOM 、意法半導(dǎo)體、OMMIC（現(xiàn)已成為 MACOM 的一部分）、GCS、英飛凌科技等廠商以及 Global Foundries 和 UMC 等代工廠一直致力于引入 RF GaN-on-Si 技術(shù)。

采用具有兩個(gè)或四個(gè)數(shù)據(jù)流且工作頻率為 28 至 60 GHz 的毫米波小型電池可降低輸出功率，這也為硅基氮化鎵提供了潛在的機(jī)會(huì)。隨著電信基礎(chǔ)設(shè)施繼續(xù)向低輸出功率系統(tǒng)發(fā)展，AAS 和小型蜂窩將推動(dòng)硅基氮化鎵的采用，以滿足多流、小型蜂窩和毫米波波束形成器的性能需求。下一代 6G 將具有更高的頻率，硅基氮化鎵很可能會(huì)在這里發(fā)揮作用，與現(xiàn)有的碳化硅基氮化鎵技術(shù)共享空間。

GAN-ON-SI 的可用性怎么樣？

硅基氮化鎵技術(shù)目前已在主流 6 英寸晶圓上實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，同時(shí) 8 英寸硅基氮化鎵晶圓也已上市，12 英寸硅基氮化鎵晶圓正在開發(fā)中。從今年開始，意法半導(dǎo)體和英飛凌科技等公司正在推出硅基氮化鎵。值得注意的是，這些公司不提供 GaN-on-SiC；他們僅憑借硅基氮化鎵技術(shù)進(jìn)入電信市場(chǎng)。另一方面，MACOM 擁有 GaN-on-SiC 和 GaN-on-Si 技術(shù)方面的專業(yè)知識(shí)。他們最近收購(gòu)了 OMMIC，以擴(kuò)大其產(chǎn)品組合并迎合毫米波應(yīng)用，主要關(guān)注衛(wèi)星通信應(yīng)用。

除了比碳化硅基氮化鎵 (GaN-on-SiC) 成本更低之外，硅基氮化鎵 (GaN-on-Si) 也很受關(guān)注，因?yàn)樗梢耘c現(xiàn)有的硅生產(chǎn)線兼容。如果市場(chǎng)拉動(dòng)發(fā)生，擴(kuò)大到 12 英寸硅基氮化鎵的可能性可能會(huì)改變游戲規(guī)則。截至 2023 年，IQE、Global Foundries、UMC、GCS 和 Soitec 等廠商正在推動(dòng) GaN-on-Si 技術(shù)。

在不斷擴(kuò)大的市場(chǎng)中騰出空間

電信基礎(chǔ)設(shè)施仍然是射頻 GaN 器件的最大單一市場(chǎng)。根據(jù) Yole Intelligence 的《RF GaN 化合物半導(dǎo)體 Q2-23》報(bào)告，該細(xì)分市場(chǎng)的收入預(yù)計(jì)將從 2022 年的近 7.77 億美元增加到 2028 年的約 14 億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為 10%。然而，不斷擴(kuò)大的硅基氮化鎵電信基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)并不意味著碳化硅基氮化鎵將完全黯然失色。相反，不斷增長(zhǎng)的電信市場(chǎng)將為碳化硅基氮化鎵和硅基氮化鎵領(lǐng)域帶來增長(zhǎng)空間。預(yù)計(jì)到 2028 年，GaN 將占電信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備出貨量的 75% 以上。其中，70% 以上將是 GaN-on-SiC，5% 將是 GaN-on-Si，其余部分將是 GaN-on-SiC。LDMOS的市場(chǎng)份額將繼續(xù)下降。圖4顯示了 Yole Intelligence 對(duì)電信基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)中各種射頻功率技術(shù)的市場(chǎng)份額的最新預(yù)測(cè)。

如今，作為主要平臺(tái)，碳化硅基氮化鎵擁有完善的供應(yīng)鏈。SEDI、Qorvo、Wolfspeed 和 NXP 等器件供應(yīng)商以及國(guó)防相關(guān)公司 Raytheon、BAE Systems 和 Northrop Grumman 均提供 GaN-on-SiC 技術(shù)。2022 年，SEDI、Qorvo 和 Wolfspeed 是 RF GaN 領(lǐng)域的領(lǐng)先廠商。GaN 領(lǐng)域的新來者 NXP 于 2020 年在美國(guó)開設(shè) 6 英寸 GaN-on-SiC 晶圓廠，進(jìn)入電信市場(chǎng)供應(yīng)鏈，實(shí)現(xiàn)了顯著增長(zhǎng)。擁有 LDMOS 產(chǎn)品，已成為基于 GaN 的電信基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)。現(xiàn)在，這個(gè)不斷擴(kuò)大的行業(yè)為硅基氮化鎵技術(shù)提供了更多空間，

但這還不是硅基氮化鎵技術(shù)的全部！新頻率范圍 3 (FR3) 頻段中的 5G 手機(jī) PA 也出現(xiàn)了一個(gè)充滿希望的機(jī)會(huì)。盡管硅基氮化鎵在手機(jī) PA 的 7 GHz 以下和 5G 毫米波頻率中具有潛力，但值得注意的是，7 GHz 以下的完善的 GaAs 解決方案已經(jīng)存在，并且基于硅的解決方案已獲得關(guān)注適用于毫米波應(yīng)用。這些現(xiàn)有技術(shù)在技術(shù)和供應(yīng)鏈方面都已經(jīng)成熟，構(gòu)成了重要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。就 FR3 而言，競(jìng)爭(zhēng)仍然開放，硅基氮化鎵有可能滿足要求并找到實(shí)施機(jī)會(huì)。然而，必須考慮到將 GaN-on-Si 集成到手機(jī)系統(tǒng)中需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)更改，使得在 FR3 頻段采用該技術(shù)成為一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)。最后的決定總是由蘋果、三星和小米等智能手機(jī)原始設(shè)備制造商說了算，這可能是硅基氮化鎵行業(yè)的拐點(diǎn)。

在過去幾年的硅基氮化鎵生態(tài)系統(tǒng)中，意法半導(dǎo)體、MACOM、英飛凌科技等公司以及格芯、聯(lián)電等晶圓代工廠都積極參與射頻硅基氮化鎵技術(shù)的開發(fā)和引進(jìn)。這些參與者正在努力將這項(xiàng)技術(shù)推向市場(chǎng)。此外，還有像 Finwave 這樣的創(chuàng)新公司，該公司專注于在 8 英寸 GaN-on-Si 晶圓上開發(fā) 3D GaN FinFET 技術(shù)。他們?cè)陂_發(fā)過程中使用標(biāo)準(zhǔn)硅鑄造工具。除了這些創(chuàng)新公司之外，GCS、UMC 和 Global Foundries 等老牌公司也有潛力快速適應(yīng)并進(jìn)入市場(chǎng)。圖 5顯示了一些主要 RF GaN 器件制造商，以及在手機(jī)應(yīng)用中采用 GaN-on-Si 的可能場(chǎng)景。

結(jié)論

到2023年，碳化硅基氮化鎵仍然是射頻氮化鎵的主要平臺(tái)，受益于成熟的供應(yīng)鏈。Yole Group 預(yù)計(jì)硅基氮化鎵將于 2023 年底開始進(jìn)入市場(chǎng)，并在未來幾年開始占據(jù)一些市場(chǎng)份額。這不會(huì)以犧牲 GaN-on-SiC 為代價(jià)，隨著 5G、6G、多流小型基站和無線回程系統(tǒng)的推出，GaN-on-SiC 將繼續(xù)增長(zhǎng)。相反，隨著 PA 需求的變化，LDMOS 的市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)會(huì)減少。

硅基氮化鎵預(yù)計(jì)在未來三到五年內(nèi)不會(huì)大批量生產(chǎn)，這使得原始設(shè)備制造商有時(shí)間采用新技術(shù)。如今，業(yè)界正在努力解決挑戰(zhàn)，包括在成本至關(guān)重要的細(xì)分市場(chǎng)中實(shí)現(xiàn) 8 英寸或 12 英寸晶圓的可靠性、工藝成熟度和可擴(kuò)展性。顯著的技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)巨頭的參與比以往任何時(shí)候都更有希望。顯然，從中長(zhǎng)期來看，硅基氮化鎵將占據(jù)市場(chǎng)份額，并有可能擴(kuò)展到手機(jī)市場(chǎng)。

編輯：黃飛

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