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硅基氮化镓在射频市场的应用日益广泛

Aymen Ghorbel, Ezgi Dogmus and Poshun Chiu，Yole Intelligence

氮化镓技术将继续在国防和电信市场提供高性能和高效率。射频应用目前主要是碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）器件。虽然硅基氮化镓（GaN-on-Si）目前不会威胁到碳化硅基氮化镓的主导地位，但它的出现将影响供应链，并可能影响未来的电信技术。

1990年代，美国国防部认识到，与InP、GaAs HBT、GaAs HEMT和Si LDMOS等材料相比，射频碳化硅基氮化镓具有更高的输出功率和效率。氮化镓具有更宽的带宽，并能减小系统尺寸。随着电信基础设施频率和基站型号的扩展，这两项能力都是必需的。这些功率和效率优势使其在国防领域得到广泛应用，其中碳化硅基氮化镓可应对机载雷达等高功率应用中的热调节挑战。

国防仍是射频氮化镓市场最大的应用领域之一。与此同时，RF GaN已开始被卫星通信市场所采用，与其他材料相比，RF GaN的高效率使器件尺寸更小，从而在系统层面释放出宝贵的空间。Yole的RF GaN 2023报告预测，从2022年到2028年，国防和卫星通信领域的年均增长率将分别达到13%和18%。这将推动国防市场达到约10亿美元，而卫星通信市场将在2028年达到约2.7亿美元。Yole对射频氮化镓收入和细分市场的预测见图1。

电信基础设施中的射频氮化镓

2023年，主流的氮化镓技术采用碳化硅衬底。这种成熟的技术在6GHz以下频率表现出卓越的特性，如更高的功率增加效率、热传导性和功率密度。华为于2015年首次推出并于2020年开始量产用于4G基站的碳化硅基氮化镓。从那时起，电信应用的射频GaN通过推动对具有成本优势的6英寸SiC晶圆的需求，已经发展成为一个庞大的市场。SEDI、Wolfspeed、NXP和Qorvo等世界各地的公司进行了大量投资，以确保碳化硅基氮化镓在其目标应用中占据主导地位，并取代其对应的Si LDMOS。图2显示了各种射频功率技术在电信基础设施市场份额的预期变化。

4G微站和宏站主要基于远端射频头(RRH)，RRH将基站的射频链和模数转换组件与多达8个输出功率高达100W的多路功率放大器(PA)集成在一起。随着4G时代的结束，预计3GHz基站对基于LDMOS的功率放大器的依赖将逐渐减弱。新兴的6GHz以下5G基站正在从2×2 MIMO转向64×64大规模MIMO（mMIMO），并采用有源天线系统（AAS）取代RRH。除了增加功率放大器的数量外，这种架构预计将降低每个功率放大器的输出功率。输出功率从100瓦到5瓦不等。此外，还要求功率放大器在处理不断增加的数据流量的同时降低功耗。图3显示了5G电信基础设施的演进愿景。

GaN可以满足所有这些要求。随着GaN-on-SiC满足5G高达7GHz的频率要求，LDMOS的市场份额预计将下降。短期内，随着印度等新区域市场在建设电信基础设施时采用AAS，射频碳化硅基氮化镓也有望从中受益。对于5G毫米波和6G，由于要求更加注重高频率和低功耗，预计射频氮化镓技术将面临与SiGe和InP等其他材料更激烈的竞争。

硅基氮化镓的用武之地

由于6GHz以下的5G基站需要功率较低的功率放大器，硅基氮化镓可在10W以下的32T32R和64T64R mMIMO基站中找到合适的应用。意法半导体与MACOM、OMMIC（现为MACOM的一部分）、GCS、英飞凌等厂商以及Global Foundries和联电（UMC）等代工厂一直致力于推出射频硅基氮化镓。

采用具有两个或四个数据流且工作频率为28至60 GHz的毫米波小蜂窝可降低输出功率，这也为硅基氮化镓带来了潜在的机遇。随着电信基础设施继续向低输出功率系统发展，AAS和小蜂窝将推动采用硅基氮化镓来满足多数据流、小蜂窝和毫米波波束赋形器的性能需求。下一代6G将拥有更高的频率，硅基氮化镓很可能在其中发挥作用，与现有的碳化硅基氮化镓技术分享应用空间。

硅基氮化镓的可用性如何？

硅基氮化镓目前商用的主流晶圆为6英寸，而8英寸晶圆也即将上市，12英寸晶圆正在开发中。从今年开始，意法半导体和英飞凌等公司将推出硅基氮化镓。值得注意的是，这些公司并不提供碳化硅基氮化镓，它们仅以硅基氮化镓进入电信市场。另一方面，MACOM在硅基氮化镓和碳化硅基氮化镓技术方面都有专长。他们最近收购了OMMIC，以扩大其产品组合，满足毫米波应用的需求，主要侧重于卫星通信应用。

除了成本低于碳化硅基氮化镓外，硅基氮化镓还能与现有的硅生产线兼容，因此备受关注。硅基氮化镓的尺寸可以扩展到12英寸。如果市场动力出现，硅基氮化镓可能会改变游戏规则。到2023年，IQE、Global Foundries、UMC、GCS和Soitec等公司都在推动硅基氮化镓技术。

不断扩大的市场

电信基础设施仍然是射频GaN器件最大的单一市场。根据Yole的"RF GaN Compound Semiconductor Q2-23"报告，该细分市场的收入预计将从2022年的近7.77亿美元增至2028年的约14亿美元，年均增长率为10%。然而，硅基氮化镓电信基础设施市场的扩大并不意味着碳化硅基氮化镓将被完全取代。相反，电信市场的增长将为硅基氮化镓和碳化硅基氮化镓行业提供增长空间。预计到2028年，GaN将占电信基础设施设备出货量的75%以上。其中，70%以上为碳化硅基氮化镓，5%为硅基氮化镓，其余为LDMOS，其市场份额将继续下降。图4显示了Yole对各种射频功率技术在电信基础设施市场份额的最新预测。

如今，作为主要平台，碳化硅基氮化镓拥有完善的供应链。SEDI、Qorvo、Wolfspeed和NXP等器件供应商，以及雷神、BAE系统和诺斯罗普-格鲁曼等国防相关公司都提供碳化硅基氮化镓。2022年，SEDI、Qorvo和Wolfspeed在射频氮化镓领域处于领先地位。2020年，后起之秀恩智浦在美国的6英寸碳化硅基氮化镓晶圆厂投产，通过进入电信市场供应链实现了大幅增长。在很短的时间内，该公司（也提供LDMOS产品）已成为氮化镓电信基础设施领域的领先企业。现在，这一不断扩大的行业也为硅基氮化镓提供了更大的发展空间，低功耗GaN解决方案有望用于10瓦以下的32T32R和64T64R mMIMO基站，今年将有越来越多的产品面世。

但这还不是硅基氮化镓的全部！在新的频率范围3 (FR3)频段，5G手机功率放大器也出现了大有可为的机会。尽管硅基氮化镓在7GHz以下频率和5G毫米波频率的手机功率放大器方面具有潜力，但重要的是，7GHz以下频率已有成熟的砷化镓解决方案，而硅基解决方案在毫米波应用方面也已获得认可。这些现有技术在技术和供应链方面都已成熟，是重要的竞争对手。在FR3领域，竞争仍未结束，硅基氮化镓有可能满足要求并找到应用机会。然而，必须考虑到将硅基氮化镓集成到手机中需要复杂的设计变更，因此在FR3频段采用该技术是一个长期目标。这要由苹果、三星和小米等智能手机厂商说了算，这可能是硅基氮化镓行业的一个拐点。

关于硅基氮化镓生态系统，在过去几年中，意法半导体、MACOM、英飞凌等公司以及Global Foundries和联电等代工厂一直积极参与射频硅基氮化镓技术的开发和引进。这些企业正致力于将该技术推向市场。此外，还有像Finwave这样的创新公司，专注于在8英寸硅基氮化镓晶圆上开发3D氮化镓FinFET技术。他们在开发过程中使用标准的硅晶圆代工工具。除这些创新公司外，GCS、联电和Global Foundries等老牌公司也有潜力迅速适应并进入市场。这些公司正在为这些杀手级应用做好准备，以开创射频行业大批量硅基氮化镓制造的新纪元。图5显示了一些主要的射频GaN器件制造商，以及在手机应用中采用硅基氮化镓的可能场景。

结论

到2023年，碳化硅基氮化镓仍是射频氮化镓的主要平台，因为它受益于发达的供应链。Yole预计，硅基氮化镓将从2023年底开始进入市场，并在未来几年开始占据一定的市场份额。但这并不会牺牲碳化硅基氮化镓的市场份额，随着5G、6G、多通道小蜂窝和无线回程系统的推出，碳化硅基氮化镓将继续增长。相反，随着功率放大器需求的变化，LDMOS的市场份额预计将减少。

硅基氮化镓的大批量生产预计还需要三到五年的时间，这为原始设备制造商采用新技术留出了时间。如今，该行业正在努力解决各种难题，包括可靠性、工艺成熟度以及在成本至关重要的细分市场中8英寸或12英寸晶圆的可扩展性。显著的技术进步和行业巨头的参与比以往任何时候都更带来希望。显然，从中长期来看，硅基氮化镓将占据一定市场份额，并有可能扩展到手机市场。

图1 2022年至2028年射频GaN器件收入预测和细分。资料来源：RF GaN 2023 report, Yole Intelligence, 2023。

图2 2023年射频GaN在电信基础设施市场的渗透率。资料来源：RF GaN 2023 report, Yole Intelligence, 2023。

图3 电信基础设施系统的发展趋势。资料来源：RF GaN 2023 report, Yole Intelligence, 2023。

图4 电信基础设施射频功率器件市场份额预测。资料来源：RF GaN Compound Semiconductor Market Monitor Q2 2023, Yole Intelligence, 2023。

图5 用于手机的硅基氮化镓的生态系统和潜在趋势。资料来源：RF GaN 2023 report, Yole Intelligence, 2023。