文︱立厷

图︱网络

到2026年,RF GaN器件市场预计将超过24亿美元。GaN-on-SiC(碳化硅基氮化镓)和GaN-on-Si(硅基氮化镓)之间的的技术和生产竞争已经出现。

Yole功率和无线部门复合半导体和新兴衬底团队首席分析师Ezgi Dogmus博士断言:“伴随新兴的RF GaN市场,近年来的显著投资塑造了未来的供需关系,这一点值得密切关注。”她补充道:“碳化硅基氮化镓是主要的技术平台。器件市场领导者SEDI与领先的SiC晶圆供应商II-VI合作进行了垂直集成”。

Yole发布的《RF GaN市场:应用、玩家、技术和衬底2021年报告》分析了RF GaN市场和技术趋势和供应链情况。

电信和国防主推RF GaN市场

RF GaN应用主要包括4G LTE和5G电信基础设施、手机、国防、卫星通信、RF功率和民用雷达等。未来几年,RF GaN的两大市场驱动力仍是5G电信和国防,卫星通信和消费类手机等新兴市场也带来了新的机遇。RF GaN市场总价值将从8．91亿美元增加到24亿美元以上,2020-2026年复合年增长率为18%。

在电信基础设施方面,GaN已经渗透不同类型基站,提供了高功率和宽带的优势。随着远程无线电头(RRH)和大规模多输入多输出(MIMO)有源天线系统(AAS)的采用,到2026年,基于GaN的宏/微基站市场将超过9．54亿美元,占GaN电信基础设施总市场95%以上。

作为一个历史悠久的市场,国防领域仍然是RF GaN的主要市场。雷达是国防应用的主要驱动力,这是由于在机载系统中有源电子扫描阵列(AESA)雷达中轻型GaN基发射/接收模块的增加。总体而言,GaN预计将继续增长,2020-2026年国防雷达的复合年增长率将超过16%。

移动卫星通信已经部署在固定卫星通信系统中,从长远来看,它将成为RF GaN解决方案的下一个市场驱动力。GaN正在慢慢地从GaAs解决方案中获得份额。同时,在移动卫星系统中,由于严格的认证周期,GaN的渗透仍然有限。正在进行的欧洲航天局与空客、UMS和OMMIC的项目为GaN在太空中的应用开辟了新的可能性。

RF GaN器件市场演进

硅基氮化镓技术也可能从2022年开始进入手机市场,这无疑将是其一个历史转折点。

碳化硅基氮化镓主导,硅基氮化镓紧跟

碳化硅独特的电子和热性能使其非常适合先进的高功率和高频半导体器件,其性能远远超过硅或砷化镓的性能。碳化硅基技术的关键优势包括降低开关损耗、更高的功率密度、更好的散热和更高的带宽容量。在系统层面,可以实现高度紧凑的解决方案,大大提高功率效率,降低成本。利用碳化硅技术的当前和预计商业应用的快速增长包括5G无线基站天线中的RF功率放大器和其他高性能RF应用。

在RF GaN行业,一切都是从碳化硅基氮化镓技术开始的,它在20多年前即已推出,现已成为RF功率应用方面LDMOS和GaAs的有力竞争者。除了军用雷达领域的深度渗透,它还是华为、诺基亚、三星等电信原始设备制造商(OEM)5G大规模MIMO基础设施的首选。由于高带宽和高效率,碳化硅基氮化镓器件在5G市场上不断从LDMOS中抢占份额,并开始受益于向6英寸晶圆平台的转移。在这种情况下,碳化硅基氮化镓器件市场预计将在2026年达到22亿美元以上,复合年增长率将达到17%。

GaN技术和RF应用

作为一个主要挑战者,硅基氮化镓商用仍在起步阶段,有望提供经济高效和可扩展的解决方案。尽管截至2021年第二季度其市场容量很小,但硅基氮化镓PA(功率放大器)凭借大带宽和小尺寸吸引了智能手机OEM。随着创新厂商的重大技术进步,一些低于6GHz的5G手机型号很可能很快采用,无疑将是硅基氮化镓的一个里程碑。

最近,代工厂的进入以及与新兴硅基氮化镓功率电子器件产业的协同效应正在使其RF应用获得长期动力。在手持设备、国防和5G电信基础设施的推动下,硅基氮化镓器件市场预计将在2026年达到1．73亿美元,复合年增长率达到86%。

碳化硅基氮化镓和硅基氮化镓技术市场预测

RF GaN挑战现有技术

近年来,NXP(恩智浦)、Wolfspeed、SICC和II-VI等领先供应商都在扩大产能,形成了GaN对LDMOS和GaAs等其他技术的挤压态势。

5G无线基础设施及其地理演变表明,伴随通信设备RF前端走向5G,针对3G/HSPA和LTE基站市场PA的LDMOS和GaAs已力不从心。随着通信频段向高频迁移,基站和通信设备需要支持高频性能的PA,RF GaN器件优势逐步突显。

无线基础设施的半导体技术领域正在经历重大变革,尤其是在PA市场。LDMOS放大器在PA领域保持了几十年的主导地位,这一优势正受到氮化镓的挑战,对无线基站性能和运营成本影响深远。

RF GaN市场更侧重于大功率和高频

两条技术路线缠斗不休

凭借高功率、高频工作环境下的优良性能,氮化镓正在快速崛起,无论是在功率,还是RF应用领域,它都代表着高功率和高性能应用场景的未来,将在很大程度上替代砷化镓和LDMOS。

砷化镓外延片主要有两种衬底技术:硅基氮化镓和碳化硅基氮化镓,对比之下可以看出:

碳化硅基氮化镓结合了碳化硅优异的导热性和氮化镓高功率密度和低损耗能力,衬底上的器件可在高电压和高漏极电流下运行,结温将随RF功率缓慢升高,RF性能更好,但价格明显高于硅基氮化镓

硅基氮化镓生长速度较快,较容易扩展到8英寸晶圆;受限于衬底,目前仍是4英寸和6英寸晶圆,8英寸还没有商用

硅基氮化镓性能略逊于碳化硅基氮化镓,但可与CMOS工艺器件集成在一个芯片上;目前工艺水平制造的器件已能达到LDMOS功率密度的5-8倍,在高于2GHz频率成本与同等性能LDMOS相仿

碳化硅基氮化镓和硅基氮化镓技术平台都在挑战原有技术的供应链。两种技术都有不同拥趸,看看有代表性两种观点。

先进无线设备、国防雷达和通信创新高性能RF解决方案供应商Qorvo认为,5G数据吞吐量推动着运营商对系统不断升级,对RF系统的工作频段、带宽及效率的要求越来越严苛,这正是GaN器件的优势。Qorvo的RF GaN器件采用碳化硅基氮化镓。因为碳化硅衬底具有更好的热传导特性,使得在同样大小的封装里,基于碳化硅的GaN放大器可以输出更高的功率,使器件具备更好的可靠性。在相同输出功率条件下,碳化硅衬底良好的热传导性可进一步缩小封装尺寸,从而降低器件整体成本。

领先的高性能RF、微波、毫米波和光波半导体供应商MACOM很早就看好硅基氮化镓工艺,它认为,硅基氮化镓MMIC器件可以提供满足系统性能要求的增益、效率和功率输出。采用硅基氮化镓技术不会改变开关或放大器的基本设计方法,与基于砷化镓的设计相比,能够在更高的漏极电压下工作,可简化阻抗匹配,当然也要考虑器件的功耗。

出人意料的是,2021年7月,MACOM发布了另一技术路线的产品——新型碳化硅基氮化镓PA产品线,名为MACOM PURE CARBIDE,前两款新产品是MAPC-A1000和MAPC-A1100。总裁兼首席执行官Stephen G． Daly表示:“碳化硅基氮化镓是一项引人注目的技术,我们开始为客户提供标准和定制的PA解决方案。两种放大器适用于航空电子设备、大功率移动无线电、无线系统和测试仪器。”