隨著技術的發展，終端設備對于半導體器件性能、效率、小型化要求的越來越高，特別是隨著5G的即將到來，也進一步推動了以氮化鎵(GaN)為代表的第三代半導體材料的快速發展。

一、GaN的神奇

1、GaN是什么？

GaN是極穩定的化合物，又是堅硬的高熔點材料，熔點約為1700℃，GaN具有高的電離度，在III-V族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結構。

2、GaN器件逐步步入成熟階段

氮化鎵技術可以追溯到1970年代，美國無線電公司（RCA）開發了一種氮化鎵工藝來制造LED。

自上世紀90年代開始，基于GaN的LED大放異彩，目前已是LED的主流。現在市場上銷售的很多LED就是使用藍寶石襯底的氮化鎵技術。

除了LED，氮化鎵也被使用到了功率半導體與射頻器件上。基于氮化鎵的功率芯片正在市場站穩腳跟。

2010年，第一個GaN功率器件由IR投入市場，2014年以后，600V GaN HEMT已經成為GaN器件主流。

2014年，行業首次在8英寸SiC（碳化硅）上生長GaN器件。

高轉換效率：GaN的禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場是Si的10倍。因此，同樣額定電壓的GaN開關功率器件的導通電阻比Si器件低3個數量級，大大降低了開關的導通損耗。

低導通損耗：GaN的禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場是Si的10倍。因此，同樣額定電壓的GaN開關功率器件的導通電阻比Si器件低3個數量級，大大降低了開關的導通損耗。

更高功率：GaN上的電子具有高飽和速度（在非常高的電場下的電子速度）。結合大電荷能力，這意味著GaN器件可以提供更高的電流密度。RF功率輸出是電壓和電流擺動的乘積，因此更高的電壓和電流密度可以在實際尺寸的晶體管中產生更高的RF功率。在4GHz以上頻段，可以輸出比GaAs高得多的頻率，特別適合雷達、衛星通信、中繼通信等領域。

更高效率：降低功耗，節省電能，降低散熱成本，降低總運行成本。

更大的帶寬：提高信息攜帶量，用更少的器件實現多頻率覆蓋，降低客戶產品成本。也適用于擴頻通信、電子對抗等領域。

另外值得一提的是，GaN-on-SiC器件具有出色的熱性能，這主要歸功于SiC的高導熱性。實際上，這意味著GaN-on-SiC器件在耗散相同功率時不會像GaAs或Si器件那樣熱。“較冷”設備意味著更可靠的設備。

4、與第二代半導體材料GaAs相比優勢明顯

GaN器件的功率密度是砷化鎵（GaAs）器件的十倍。GaN器件的更高功率密度使其能夠提供更寬的帶寬，更高的放大器增益和更高的效率，這是由于器件外圍更小。

GaN場效應晶體管（FET）器件的工作電壓可以比同類GaAs器件高五倍。由于GaNFET器件可以在更高的電壓下工作，因此設計人員可以更輕松地在窄帶放大器設計上實現阻抗匹配。阻抗匹配是以這樣的方式設計電負載的輸入阻抗的實踐，其最大化從設備到負載的功率傳輸。

GaNFET器件的電流是GaAsFET器件的兩倍。由于GaNFET器件可提供的電流是GaAsFET器件的兩倍，因此GaNFET器件具有更高的帶寬能力。大部分的半導體器件對于溫度的變化都是非常敏感的，為了保證可靠性，半導體的溫度變化必須被控制在一定范圍內。

熱管理對于RF系統來說尤其重要，因為它們本身能量損耗就比較高，會帶來比較嚴重的散熱問題。GaN在保持低溫方面有其獨特優勢，另外即使在溫度較高的情況下，相比于硅其性能影響較小。例如100萬小時失效時間中位數MTTF顯示，GaN比GaAs的工作溫度可以高50攝氏度。

隨著成本降低，GaN市場空間巨大。GaN與SiC、Si材料各有其優勢領域，但是也有重疊的地方。

GaN材料電子飽和漂移速率最高，適合高頻率應用場景，但是在高壓高功率場景不如SiC；隨著成本的下降，GaN有望在中低功率領域替代二極管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。

以電壓來分，0~300V是Si材料占據優勢，600V以上是SiC占據優勢，300V~600V之間則是GaN材料的優勢領域。

根據Yole估計，在0~900V的低壓市場，GaN都有較大的應用潛力，這一塊占據整個功率市場約68%的比重，按照整體市場154億美元來看，GaN潛在市場超過100億美元。

GaNRF市場即將大放異彩。根于Yole的預測，在通信和國防應用的推動下RFGaN產業在2017年至2023年期間的復合年增長率將會達到的23％。截至2017年底RFGaN市場總量接近3.8億美元，2023年將達到13億美元以上。

基于RF的GaN技術也在不斷創新以滿足工業界需求。國防應用是RFGaN的主要市場領域，這是因為GaN產品具有專業的高性能要求和低價格優勢。

2017-2018年間，國防應用占GaN射頻市場總量的35％以上，目前全球國防市場在GaN領域沒有放緩跡象。

二、GaN市場：射頻是主戰場，5G是重要機遇

1、GaN是射頻器件的合適材料

目前射頻市場主要有三種工藝：GaAs工藝，基于Si的LDMOS（橫向擴散金屬氧化物半導體）工藝，以及GaN工藝。GaAs器件的缺點是器件功率較低，低于50W。

LDMOS器件的缺點是工作頻率存在極限，最高有效頻率在3GHz以下。GaN彌補了GaAs和Si基LDMOS兩種老式技術之間的缺陷，在體現GaAs高頻性能的同時，結合了Si基LDMOS的功率處理能力。

在射頻PA市場，LDMOSPA帶寬會隨著頻率的增加而大幅減少，僅在不超過約3.5GHz的頻率范圍內有效，采用0.25微米工藝的GaN器件頻率可以高達其4倍，帶寬可增加20%，功率密度可達6~8W/mm（LDMOS為1~2W/mm），且無故障工作時間可達100萬小時，更耐用，綜合性能優勢明顯。

在更高的頻段（以及低功率范圍），GaAsPA是目前市場主流，出貨占比占9成以上，與GaAs RF器件相比，GaN優勢主要在于帶隙寬度與熱導率。

帶隙寬度方面，GaN的帶隙電壓高于GaAs（3.4eVVS1.42eV），GaN器件具有更高的擊穿電壓，能滿足更高的功率需求。

熱導率方面，GaN-on-SiC的熱導率遠高于GaAs，這意味著器件中的功耗可以更容易地轉移到周圍環境中，散熱性更好。

2、GaN是5G應用中的關鍵技術

5G將帶來半導體材料革命性的變化，隨著通訊頻段向高頻遷移，基站和通信設備需要支持高頻性能的射頻器件，GaN的優勢將逐步凸顯，這正是前一節討論的地方。正是這一優勢，使得GaN成為5G的關鍵技術。

在Massive MIMO應用中，基站收發信機上使用大數量（如32/64等）的陣列天線來實現了更大的無線數據流量和連接可靠性，這種架構需要相應的射頻收發單元陣列配套，因此射頻器件的數量將大為增加，使得器件的尺寸大小很關鍵。

利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特點可實現高集化的解決方案，如模塊化射頻前端器件。

除了基站射頻收發單元陳列中所需的射頻器件數量大為增加，基站密度和基站數量也會大為增加，因此相比3G、4G時代，5G時代的射頻器件將會以幾十倍、甚至上百倍的數量增加。

在5G毫米波應用上，GaN的高功率密度特性在實現相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，可有效減少收發通道數及整體方案的尺寸。

2018年12月，Qorvo發布行業首款28GhzGaN前端模塊QPF4001FEM，在單個MMIC中集成了高線性度LNA、低損耗發射/接收開關和高增益、高效率多級PA。針對5G基站架構中間隔28GHz的相控陣元件，對緊湊對緊湊型5x4毫米氣腔層表貼封裝進行了優化。該模塊采用了Qorvo的高效率0.15微米GaN-on-SiC技術。

3、GaN電力電子器件典型應用：快充電源

GaN電力電子器件方面典型應用市場是電源設備。由于結構中包含可以實現高速性能的異質結二維電子氣，GaN器件相比于SiC器件擁有更高的工作頻率，加之可承受電壓要低于SiC器件，所以GaN電力電子器件更適合高頻率、小體積、成本敏感、功率要求低的電源領域，如輕量化的消費電子電源適配器、無人機用超輕電源、無線充電設備等。

GaN電力電子器件增速最快的是快充市場。2018年，世界第一家GaNIC廠商Navitas和Exagan推出了帶有集成GaN解決方案（GaNFast）的45W快速充電電源適配器，此45W充電器與AppleUSB-C充電器相比，兩者功率相差不大，但是體積上完全是不同的級別，內置GaN充電器比蘋果充電器體積減少40%。目前來看，采用GaN材料的快速充電器已成星火燎原之勢，有望成為行業主流。

三、GaN產業鏈梳理

典型的GaN射頻器件的加工工藝主要包括外延生長-器件隔離-歐姆接觸（制作源極、漏極）-氮化物鈍化-柵極制作-場板制作-襯底減薄-襯底通孔等環節。

從專利角度看，住友電工是RFGaN器件的市場的領軍者，但是相比于Cree仍然有不小差距。住友電工在專利方面目前有所放緩，而其他日本公司如富士通，東芝和三菱電機正在增加其專利申請，目前也擁有強大的專利組合。

Intel和MACOM目前是RF GaN領域最活躍申請專利的兩家公司，尤其是GaN-on-Silicon技術，如今這兩家公司在RF GaN專利領域擁有重要IP。

參與RF GaN市場的其他公司，如Qorvo，Raytheon，Northrop Grumman，恩智浦/飛思卡爾和英飛凌，擁有一些關鍵專利，但知識產權地位仍然相對薄弱。

總體來說，RFGaN領域方面，依然是被美國和日本公司主導。