在过去的二十年中，RF GaN 技术不断发展。
从最初扎根于国防应用，到现在探索满足电信基础设施和卫星通信需求的新领域。伴随着碳化硅基氮化镓 (GaN-on-SiC) 技术日趋成熟，GaN它正在成为各种应用的标准，相对于 Si LDMOS 和 GaAs 等竞争技术，RF GaN稳步获得市场份额。而随着对功率效率、可靠性和空间优化的关注，GaN 技术更是变得不可或缺。
电信基础设施市场正在见证功率放大器 (PA) 要求的重大转变，这为英飞凌 2023 年在 8 英寸平台上推出 GaN-on-Si 技术铺平了道路。这一战略举措不仅加剧了与 GaN-on-SiC的竞争，还开启了新的前景，尤其是在手机市场。
根据 Yole Group 的 RF GaN 化合物半导体监测报告，在 5G 电信基础设施和国防雷达应用需求的推动下，GaN RF 器件市场的总体价值预计将从 14 亿美元飙升至 22 亿美元以上， 2022-2028 年期间复合年增长率 (CAGR) 高达 8.7%。
虽然 RF GaN 市场在 2022-2028 年期间的发展速度可能不会与功率转换应用的宽带隙（SiC 和 GaN）市场完全相同，但它仍然充满活力，并且正在改变其供应链。该行业的主要参与者美国 MACOM 在 2023 年完成了两项重大收购：法国 OMMIC SAS 的 GaN-on-Si 技术和美国 Wolfspeed 的 RF GaN-on-SiC 业务（射频 GaN 领域的领导者）。这些战略举措使 MACOM 有可能成为 RF GaN 领域的领导者之一。与此同时，SEDI、Qorvo 和 NXP 等厂商在 RF GaN 行业保持着强大的领导地位。
在中国，SICC、三安集成电路、Dynax 和 CETC 等公司继续开发和开拓本地 RF GaN 市场。2023 年初，英飞凌向电信基础设施市场推出了首个采用 8 英寸晶圆的商用 GaN-on-Si PA技术。ST MicroElectronics、UMC 和 GlobalFoundries 等其他厂商可能会在未来几年跟进。
RF GaN 在多种应用中取得成功
自 20 世纪 90 年代以来，美国国防部已经认识到与 InP、GaAs HBT、GaAs HEMT 和 Si LDMOS 等材料相比，RF GaN-on-SiC 具有卓越的输出功率和效率。RF GaN 不仅提供更宽的带宽，而且还有助于缩小系统尺寸——随着电信基础设施扩展其频率和基站模型，这两个属性备受追捧。
RF GaN 卓越的功率和效率特性使其在国防应用中得到广泛采用，特别是在解决机载雷达系统等高功率场景中的热挑战方面。国防作为 RF GaN 市场最大的领域之一继续脱颖而出。机载系统以设备数量多为特点，预计将主导市场，预计未来几年船载系统的设备数量也会增加。
在美国以外，欧洲和中国都在积极培育其 GaN 生态系统，特别关注扩大在雷达应用中的部署，该领域正在进行的演示和 GaN 项目保证了持续增长。由于其宽带运行和增强的可靠性，GaN 比替代技术更受业界青睐。预计卫星通信在 2022 年至 2028 年期间将出现大幅增长。GaN 器件将成为部署 Ka 波段块上变频器系统的首选，展现出高功率输出和轻量化特性的结合。在 C 和 X 波段领域，GaN 系统的选择以功率附加效率 (PAE) 这一关键标准为指导。
与此同时，RF GaN 已开始进军信用卫星通信市场，利用其相对于其他材料的高效率来实现更小的设备尺寸，从而节省系统级的宝贵空间。卫星通信是继电信基础设施和国防市场之后的第三大射频 GaN 市场，预计到 2028 年将达到 2.7 亿美元，2022-2028 年复合年增长率为 18%。
RF GaN 功率放大器提供更高的数据吞吐量、更小的天线、更宽的带宽和更高的效率。从 L/C/X 频段过渡到 Ku/Ka 频段可实现移动卫星通信的更高数据速率。虽然行波管 (TWT) 技术在历史上占据主导地位，但它也存在局限性，例如笨重和可靠性问题。基于 GaAs 的固态功率放大器 (SSPA) 正在引起低功耗和轻型卫星系统的兴趣，但与 GaN 相比，其效率和带宽受到限制。
与 GaAs SSPA 相比，GaN PA 还具有众多优势，使其对 GEO HTS、“New Space”、LEO 和更高频率的地球观测等各种应用具有吸引力。我们目睹了人们对卫星通信的日益关注，特别是由于人们对“New Space”趋势的兴趣日益浓厚。
此外，电信基础设施行业对卫星通信的关注日益增加，尤其是 Space X 计划通过卫星技术提供 5G 覆盖。这种方法提高了世界上没有缺乏可靠电话网络覆盖的区域的可能性。RF GaN 技术可以借此机会扩大其市场份额。
用于电信基础设施的 GaN-on-SiC 最初由华为于 2015 年推出，并于 2020 年开始批量生产，用于 4G 基站。此后，RF GaN 技术通过满足新的基站要求并取代 LDMOS 技术，受益于 5G 的推出。SEDI、Wolfspeed（其射频业务现已成为 MACOM 的一部分）、NXP 和 Qorvo 等世界各地的公司也进行了大量投资，确保 GaN-on-SiC 在其目标应用中占据主导地位并取代其对应的 Si LDMOS 。
4G 微基站和宏基站主要基于RRH (remote radio heads)，将基站的射频链和模数转换组件与多达 8 个多流 PA 集成在一起，输出功率高达 100W。
随着 4G 时代即将结束，3GHz 基站对基于 LDMOS 的 PA 的依赖预计将会减少。新兴的 6GHz 以下 5G 基站正在从 2x2 MIMO 模型转向 64x64 大规模 MIMO (mMIMO)，并用有源天线系统 (AAS) 取代 RRH。
在增加 PA 数量的同时，每个 PA 预计将以较低的输出功率运行（从 100W 到 5W）。PA 还需要处理不断增加的数据流量，同时降低功耗。
GaN 可以满足所有这些要求。随着 GaN-on-SiC 解决 5G 频率高达 7GHz 的问题，LDMOS 市场份额预计将下降。对于5G毫米波和6G，由于对高频和更低功耗的要求更高，射频GaN技术预计将面临与SiGe和InP技术等其他材料的更激烈的竞争。
RF GaN 如何发展？
由于sub-6GHz的 5G 电信基站需要功率较低的 PA，因此 GaN-on-Si 将在 10W 以下运行的 32T32R / 64T64R mMIMO 基站中占据一席之地。在过去两年中，意法半导体 (STMicroelectronics) 与 MACOM、OMMIC（现已成为 MACOM 的一部分）、GCS、英飞凌科技 (Infineon Technologies) 等主要参与者以及格芯 (Global Foundries) 和联华电子 (UMC) 等代工厂合作推出了射频硅基氮化镓 (GaN-on-Si) 技术。
转向运行在 28 – 60GHz 且输出功率降低的毫米波小型基站（2 流和 4 流）为 GaN-on-Si 带来了额外的机会。随着电信基础设施越来越多地采用较低输出功率的系统，天线阵列系统 (AAS) 和小型蜂窝的需求推动了硅基氮化镓的采用，以满足多流、小型蜂窝和毫米波波束形成器性能的需求。
展望下一代 6G，它将具有更高的频率，预计 GaN-on-Si 将与现有技术 GaN-on-SiC 共存。
今年的一项重大进展是，英飞凌科技推出了采用 8 英寸技术的 GaN-on-Si PA，以满足电信基础设施市场的需求。预见到这一趋势，Global Foundries、UMC、MACOM 和 STMicroElectronics 等其他主要厂商预计在未来几年也会效仿。值得注意的是，许多厂商选择直接使用 GaN-on-Si 进入市场，绕过 GaN-on-SiC 技术。
预计到 2028 年，GaN 将占电信基础设施 PA 器件出货量的 87% 以上。其中，超过 77% 将是碳化硅基氮化镓 (GaN-on-SiC)，10% 是硅基氮化镓 (GaN-on-Silicon)，而 LDMOS 预计将失去市场份额。
硅基氮化镓技术的前景延伸至 FR3 频段的 5G 手机的功率放大器。虽然硅基氮化镓在 7GHz 以下和 5G 毫米波频率的手机 PA 中具有潜力，但必须承认成熟的 GaAs 解决方案在 7GHz 以下的现有主导地位以及硅基解决方案在毫米波中获得的吸引力。这些技术在技术和供应链方面都已经成熟，成为重要的竞争对手。在 FR3 的公开竞争中，硅基氮化镓很有希望，但需要进行复杂的设计更改才能集成到手机系统中，这使得其在 FR3 频段的采用成为一个长期目标。
硅基氮化镓技术命运的决定性影响最终取决于苹果、三星和小米等智能手机原始设备制造商（OEM），这可能成为硅基氮化镓行业的转折点。
移动生态系统中，
RF GaN 仍然引起关注
如今，碳化硅基氮化镓作为主要平台，拥有完善的供应链。SEDI、Qorvo、Wolfspeed 和 NXP 等设备供应商以及国防相关公司 Raytheon、BAE Systems 和 Northrop Grumman 均提供 GaN-on-SiC 技术。
2022 年，SEDI、Qorvo 和 Wolfspeed 是 RF GaN 领域的领先厂商。作为 GaN 领域的新来者，恩智浦于 2020 年在美国开设 6 英寸 GaN-on-SiC 晶圆厂，进入电信供应链，实现了显著增长。LDMOS 产品已成为基于 GaN 的电信基础设施领域的领先企业。此外，碳化硅基氮化镓在过去几年中迎来了 Altum RF、mmTron 和镓半导体等创新厂商。现在，这个不断扩大的行业为 GaN-on-Si 技术提供了更多空间，其中低功率 GaN 解决方案有望用于 10W 以下的 32T32R / 64T64R mMIMO 基站，今年将有更多产品上市。
S.I.SiC晶圆市场仍然由三大供应商Wolfspeed、Coherent和SICC瓜分。在国防领域，雷神公司和诺斯罗普格鲁曼等公司在 GaN 的采用方面处于领先地位。Wolfspeed 和 Qorvo 也是 GaN 代工厂。围绕电信市场的供应，爱立信和诺基亚不断扩大来自多家设备供应商的RF GaN器件的供应量，而三星则与韩国设备厂商密切合作。自美国制裁以来，华为和中兴已转向中国供应链来发展自主的能力。
为了克服美国的制裁，中国继续发展其国内射频氮化镓技术和中国供应链。在GaN-on-SiC生态系统中，领先的厂商在晶圆和终端系统层面都是世界一流的，2020年以来，中国一直在加速外延片、前端、后端工艺和设计的发展。每个级别都有超过一名活跃参与者，这显示了中国生态系统在过去两年中的进步。
Yole Intelligence 的 RF GaN 2023 报告准确预测了 Wolfspeed 剥离射频业务的决定，标志着向 SiC 功率技术的战略转变。继 2018 年首次以 3.45 亿美元收购后，Wolfspeed 以 1.25 亿美元的价格被英飞凌科技收购，此举使 Wolfspeed 成为功率 SiC 行业的主要参与者。出售后停止向竞争对手供货的决定增强了他们的扩张潜力。
与此同时，MACOM 自 2018 年以来对硅基氮化镓的早期探索以及与意法半导体的合作使其成为了先驱。2022 年 RF GaN-on-Si 原型的成功生产反映了他们致力于引入 GaN-on-Si 技术，强调在电信和消费领域的应用。MACOM 于 2023 年战略收购 OMMIC SAS，展示了他们对毫米波技术的专注，增强了他们在美国和欧洲国防和航空航天领域的产品组合。
MACOM 在 2020 年代初期战略性地将重点转向GaN on SiC 技术，专门生产高达 7kW 的高功率器件。他们与空军研究实验室合作，与美国国防部门合作，在碳化硅基氮化镓技术上取得了重大进展，该技术在 K 至 Ka 频段的高频下运行。
MACOM 最近收购了 Wolfspeed 的 RF 业务，巩固了其在国防、航空航天和电信市场的地位。凭借 Wolfspeed 在 RF GaN 市场的地位，MACOM 巩固了其战略地位，强调其致力于通过涵盖宽频率范围内的 GaN-on-Si 和 GaN-on-SiC 技术的全面产品组合扩大其在 RF GaN 市场的份额。
在过去几年的硅基氮化镓生态系统中，意法半导体、MACOM、英飞凌科技等公司以及格芯、联华电子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。英飞凌科技公司今年早些时候推出了 8 英寸晶圆上的 GaN-on-Si PA 技术，以满足电信基础设施市场的需求。我们希望其他玩家也能效仿。
GlobalFoundries、意法半导体和英飞凌等公司已经活跃在功率 GaN 行业。尽管面临技术节点和外延控制等挑战，这些参与者仍在探索射频和功率 GaN 之间的协同效应，利用类似的 GaN-on-Si 技术来满足不同的市场需求。
此外，创新公司正在进入该生态系统，例如 Finwave，该公司专注于在 8 英寸 GaN-on-Si 晶圆上开发 3DGaN FinFET 技术。他们在开发过程中使用标准硅制造工具。除了这些创新公司之外，GCS、UMC、索尼和 Global Foundries 等老牌公司也有潜力快速适应并进入市场。
参与者正在为这些杀手级应用做好准备，以运行他们的技术，并开启射频行业大批量硅基氮化镓制造的新时代。
RF GaN 行业接下来会发生什么？
总之，射频 GaN 行业在过去二十年中发生了转变，从在国防应用领域占据主导地位，转变为在电信和卫星通信等多个市场中并存。碳化硅基氮化镓技术已成为国防和电信基础设施功率放大器的主流技术，并赢得了市场份额。在电信基础设施中引入硅基氮化镓预示着增长并带来了新的机遇。Yole Group 的 RF GaN 化合物半导体监测预测，在 5G 和国防应用的推动下，该市场将出现强劲增长，并预计到 2028 年 RF GaN 器件市场将超过 22 亿美元。
迄今为止，2023 年具有重要意义，因为MACOM 进行了两项引人注目的战略收购，这可以帮助他们在当前格局中获得更多市场份额，而英飞凌则推出了首款基于 8 英寸平台的 GaN-on-Si Pa 技术。
在全球范围内，GaN 在国防领域，特别是在机载系统中变得越来越重要。5G 的出现为 GaN 在 mMIMO 基站中提供了机遇，并延伸至预期的 6G 时代。硅基氮化镓在手机技术趋势中展现出前景，但面临着来自成熟平台的激烈竞争。射频硅基氮化镓供应链正在随着新参与者的加入而多样化，从而促进未来市场的可持续增长。
归根结底，随着硅基氮化镓技术的成熟，射频氮化镓行业正处于关键时刻。这引发了思考：现在是在未开发的市场中探索新的增长前景的好时机吗？或者，硅基氮化镓能否比碳化硅基氮化镓获得更大的市场份额？
