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RF GaN器件在電信基礎(chǔ)設(shè)施中加速采用，特別是5G應(yīng)用為GaN-on-Si打開了新的機(jī)遇。據(jù)Yole Intelligence預(yù)計，在電信和國防應(yīng)用的推動下，到2028年RF GaN器件市場將達(dá)到27億美元。實現(xiàn)這一目標(biāo)還有5年時間，我們來看看這段時間RF GaN市場將要經(jīng)歷一些怎樣的變化？

(資料圖片)

RF GaN：電信基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)漲

RF GaN的領(lǐng)導(dǎo)廠商包括SEDI、Qorvo、Wolfspeed、恩智浦……正在為到2028年實現(xiàn)近30億美元的市場鋪平道路。

在電信基礎(chǔ)設(shè)施中，GaN以其高功率和高頻性能優(yōu)勢滲透到了各種基站中。隨著宏/微基站從RRH（射頻拉遠(yuǎn)頭）向AAS（有源天線系統(tǒng)）的轉(zhuǎn)變，大規(guī)模MIMO（多進(jìn)多出）需要每個基站更多的PA（功放）單元。

與LDMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）相比，在3GHz以上頻率下更高的PAE（功率附加效率）和更寬的頻帶能力是GaN增長的機(jī)會。到2028年，基于GaN的電信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備市場預(yù)計將超過13億美元，占總市場的近45%。預(yù)計2028年將達(dá)到27億美元，2022年至2028年的復(fù)合年增長率為12%。

2022-2028年RF GaN器件市場預(yù)測

Yole Intelligence專門研究化合物半導(dǎo)體和新興材料的技術(shù)和市場分析師Aymen Ghorbel表示：“截至2023年，GaN-on-SiC仍然是RF GaN的主要平臺，因為供應(yīng)鏈已經(jīng)得到了很好的發(fā)展。然而，IDM是首選的商業(yè)模式，因為IDM可以從電信和國防市場的現(xiàn)有客戶渠道中受益?！?/p>

從市場看，全球SiC晶圓市場仍由Wolfspeed、Coherent和天岳先進(jìn)三大供應(yīng)商共享。排名前三的器件廠商穩(wěn)定性很好，2022年，SEDI（日本住友電工）、Qorvo和Wolfspeed在RF GaN器件業(yè)務(wù)領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先，而恩智浦通過進(jìn)入電信市場的供應(yīng)鏈獲得了顯著增長。

此IDM非彼IDM

Yole Intelligence發(fā)布的年度RF GaN報告認(rèn)為，電信和國防是RF GaN的主要市場驅(qū)動力。其中的IDM并不是我們理解的供應(yīng)鏈中的垂直整合模式，而是綜合國防制造商（integrated defense manufacturer）首選的商業(yè)模式，因為IDM可以從電信和國防市場的現(xiàn)有客戶渠道中受益。

作為傳統(tǒng)的GaN市場，國防部門是RF GaN的主要驅(qū)動因素之一，因為GaN-on-SiC仍然是在國防雷達(dá)、電子戰(zhàn)和國防通信應(yīng)用中實現(xiàn)高要求應(yīng)用的主要平臺。

在國防領(lǐng)域，雷神公司（Raytheon Company）、諾斯羅普·格魯曼（Northrop Grumman）和中國電科公司在GaN的采用方面處于領(lǐng)先地位。美國國防部信任的Wolfspeed和Qorvo也是GaN的代工廠。

2022年RF GaN器件玩家排名前四

圍繞電信市場的供應(yīng)，愛立信和諾基亞繼續(xù)從多家器件供應(yīng)商那里擴(kuò)大RF GaN器件的供應(yīng)，而三星則與韓國器件制造商密切合作。自美國制裁以來，華為和中興已轉(zhuǎn)向中國供應(yīng)鏈發(fā)展國內(nèi)能力。

從2018年開始，中國就有許多企業(yè)涌入了芯片賽道，業(yè)務(wù)涉及指令集架構(gòu)、芯片研發(fā)、芯片生產(chǎn)、芯片設(shè)計、芯片封裝、半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)和芯片材料等諸多領(lǐng)域，假以時日中國有望擺脫對國際供應(yīng)鏈的依賴，形成國內(nèi)自循環(huán)。

GaN-on-SiC還是GaN-on-Si？

RF GaN-on-SiC器件可應(yīng)用于5G宏基站、衛(wèi)星通信、微波雷達(dá)、航空航天等軍事/民用領(lǐng)域；GaN-on-Si可制成功率器件，在大功率快充、新能源車、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)快速滲透；GaN-on-sapphire和GaN-on-GaN可制成光電器件，GaN光電器件在miniLED、MicroLED、傳統(tǒng)LED照明領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢明顯。

從性能看，GaN-on-SiC更好，但其價格高于GaN-on-Si。GaN-on-SiC具有SiC優(yōu)異的導(dǎo)熱性及GaN的高功率密度、低損耗特點(diǎn)。與Si相比，SiC還是一種非常“耗散”的襯底，有助于基板上的器件在高壓和高漏極電流下運(yùn)行，隨著射頻功率提升結(jié)溫緩慢升高，是射頻應(yīng)用的理想材料。

在相同耗散條件下，SiC器件的可靠性和壽命更好。另外，SiC具有高電阻，有利于毫米波傳輸，特別是高頻MMIC。因此，目前業(yè)界多數(shù)商用RF GaN器件都采用GaN-on-SiC襯底。不過，SiC襯底尺寸仍局限于4英寸和6英寸，8英寸還有待商用。

GaN-on-SiC和GaN-on-Si應(yīng)用的發(fā)展趨勢

GaN-on-Si的最大優(yōu)勢是襯底成本低，生長速度較快，晶圓容易擴(kuò)展到8英寸。雖然GaN-on-Si性能較GaN-on-SiC有一點(diǎn)差異，但采用目前工藝制造的器件已能在高于2GHz頻率條件下滿足LDMOS功率密度要求。另外，GaN-on-Si是硅基工藝，使GaN器件與CMOS工藝能很好地集成在一個芯片上，可以利用現(xiàn)有硅晶圓代工廠進(jìn)行規(guī)模量產(chǎn)。

電信業(yè)新機(jī)遇為RF GaN-on-Si打開大門

從應(yīng)用發(fā)展角度來看，5G通信對RF器件的需求正在快速增長，需要大批量低成本的GaN射頻芯片，給GaN-on-Si提供了發(fā)展機(jī)會。事實上，由于5G基站的安裝增加，RF GaN-on-SiC重新獲得了發(fā)展勢頭，同時GaN-on-Si領(lǐng)域也發(fā)生了重大收購。

5G電信基礎(chǔ)設(shè)施市場仍然主導(dǎo)并推動著RF GaN市場。自2022年第四季度以來，Qorvo和Wolfspeed等器件市場領(lǐng)導(dǎo)者宣布收入放緩。然而，與硅LDMOS相比，我們?nèi)匀活A(yù)計RF GaN-on-SiC器件將被用于電信基礎(chǔ)設(shè)施市場，這主要是由印度在H2-2023年和2024年的投資推動的。

與此同時，GaN-on-Si技術(shù)仍在由生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究和開發(fā)，主要由英飛凌、MACOM和意法半導(dǎo)體等領(lǐng)先企業(yè)以及GlobalFoundries、UMC等代工廠推動?？梢灶A(yù)計，到2028年，RF GaN市場將超過20億美元，主要受5G電信基礎(chǔ)設(shè)施的推動。

2021-2025年按細(xì)分市場劃分的RF GaN器件市場收入（單位：百萬美元）

Yole集團(tuán)旗下Yole Intelligence專門研究化合物半導(dǎo)體和新興襯底的高級技術(shù)和市場分析師Poshun Chiu認(rèn)為：“截至2023年，主流的GaN技術(shù)都是在SiC襯底上。該技術(shù)已經(jīng)很成熟，在高功率和高頻率下表現(xiàn)出良好的性能。過去幾年，意法半導(dǎo)體與MACOM、Ommic、英飛凌以及GlobalFoundries和UMC等代工廠一直在致力于引入RF GaN-on-Si技術(shù)。由于電信小型基站需要功率較低的PA，GaN-on-Si可以在低于10W的32T32R和64T64R mMIMO基站中找到最佳位置。我們預(yù)計GaN-on-Si將從2023年底開始進(jìn)入市場，并在未來幾年占據(jù)市場份額?！?/p>

截至2023年，RF GaN在電信基礎(chǔ)設(shè)施市場的滲透率

2022年5月，意法半導(dǎo)體和MACOM宣布成功生產(chǎn)出RF GaN-on-Si原型晶圓和器件，實現(xiàn)了成本和性能目標(biāo)，可有效與市場上現(xiàn)有的LDMOS和GaN-on-SiC技術(shù)競爭。

意法半導(dǎo)體功率晶體管總經(jīng)理兼執(zhí)行副總裁Edoardo Merli表示：“我們相信，該技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了性能和工藝成熟度，可以為包括無線基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的大批量應(yīng)用提供有吸引力的成本和供應(yīng)鏈優(yōu)勢?！?/p>

2023年全球GaN-on-Si供應(yīng)鏈能力

今年3月，英飛凌以8.3億美元收購了GaN Systems，并斥資20億歐元擴(kuò)充其馬來西亞居林和奧地利菲拉赫晶圓廠的GaN芯片產(chǎn)能。英飛凌預(yù)測，到2027年GaN芯片市場將以每年56%的速度增長。

中國GaN產(chǎn)業(yè)還處于起步階段，材料企業(yè)有三安光電、英諾賽科、士蘭微、蘇州能訊、江蘇能華、大連芯冠等。芯片設(shè)計主要有華為海思、安譜隆等。海威華芯和三安集成則可提供GaN晶圓代工服務(wù)。

在襯底材料方面，天岳先進(jìn)、三安光電、天科合達(dá)、英諾賽科等中國本土企業(yè)的全球市占率在10%左右，三安光電、英諾賽科等重點(diǎn)研發(fā)基站用RF GaN-on-Si和功率芯片。外延片代表企業(yè)有蘇州晶湛、聚能晶源和聚燦光電。海威華芯、三安集成和華進(jìn)創(chuàng)威等開始涉足GaN射頻HEMT相關(guān)專利。

長期以來，RF功率技術(shù)LDMOS主導(dǎo)了早期RF功率放大器。對于這些RF功率放大器，GaN可以提供比LDMOS更高的RF特性和顯著更高的輸出功率，而RF GaN-on-Si為5G和6G基礎(chǔ)設(shè)施提供了巨大潛力。

事實上，雖然GaN既可以在硅晶圓上制造，也可以在SiC晶圓上制造，但RF GaN-on-SiC終究不是一種主流半導(dǎo)體制造工藝，還要考慮和高功率應(yīng)用爭奪SiC晶圓，這些都可能會導(dǎo)致其成本更加昂貴。而意法半導(dǎo)體和MACOM正在開發(fā)的GaN-on-Si技術(shù)有望通過標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝流程的集成提供具有競爭力的性能和巨大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。

隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的發(fā)展，開發(fā)Ku/K/Ka頻段平臺的器件制造商開始瞄準(zhǔn)亞太赫茲（Sub-THz）頻率0.1μm以下節(jié)點(diǎn)和未來潛在的6G市場。RF應(yīng)用的新興GaN-on-Si平臺的目標(biāo)在于，通過在較低功率水平利用效率和寬帶寬來實現(xiàn)低于6GHz的小基站。不過，考慮到改變手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，這只是GaN-on-Si的長期目標(biāo)市場。

GaN-on-Si將變得炙手可熱

多年來，RF GaN因其在功率放大器級的卓越性能而廣泛應(yīng)用于4G基站，與此同時，國防應(yīng)用不斷擴(kuò)大軍事雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)中對RF GaN-on-SiC的需求。不過，隨著美國對華為的禁令、新冠疫情的影響以及基站部署的放緩，RF GaN在2021年面臨了調(diào)整。

截至2023年，制造商也在加快GaN在其系統(tǒng)中的應(yīng)用，以促進(jìn)5G部署的復(fù)蘇。除了GaN-on-SiC，GaN-on-Si正變得越來越成熟，新的合作伙伴關(guān)系正在形成。從2023年起，該行業(yè)將發(fā)生一些明顯的變化，包括器件廠商SEDI、Wolfspeed、Qorvo和恩智浦，以及晶圓和外延廠商Wolfspeed、IQE、Coherent和天岳先進(jìn)都可能給我們帶來一些驚喜。