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射频GaN器件市场
录入时间:2022/3/25 16:07:43

射频GaN器件市场

Poshun Chiu and Ezgi Dogmus, Yole Développement, Lyon-Villeurbanne, France

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Yole Développement的分析师预测,在短短五年内,已经很强大的射频GaN器件市场将从约9亿美元激增到24亿美元(1)。世界各地的国防机构30年来的投资使这种高功率密度、高效率的材料在化合物半导体版图上占据了一席之地,GaN器件经常被用于军事雷达和电子战。当国防机构希望通过商业应用来偿还他们的十亿美元投资时,5G/LTE应用已经提供了投资回报,至少目前是这样。

基站采用

中国的华为在2014年开始在其4G LTE远程无线电头(RRH)中使用GaN射频器件。这家电信巨头决定用高功率密度和宽带宽的GaN替换低成本的Si LDMOS,其他OEM厂商也纷纷效仿。今天,5G基础设施市场正在利用GaN的力量。久经考验的SiC基GaN技术被广泛用于5G 6GHz以下的RRH基站,并有望在一段时间内保持其优势地位。

1 2020年至2030年的GaN射频器件市场演变。

部分原因是中国的运营商之间达成了巨大的5G网络共享协议,该技术也被用于5G的6GHz以下有源天线系统(AAS)。为了部署更高效的天线,中国运营商在这些6GHz以下的AAS部署中放弃了更便宜的LDMOS晶体管,而采用了性能更高的SiC基GaN器件,这一决定启动了GaN在其他地方的应用。今天,其他OEM厂商已经意识到GaN可以为5G无线基础设施带来价值,并正在转向6英寸SiC基GaN晶圆生产,以降低该技术的价格。

2020年,荷兰的半导体制造商和主要的LDMOS厂商恩智浦在亚利桑那州开设了一个六英寸的SiC基GaN工厂,表明客户对高效益的GaN射频器件的强烈兴趣。今年,SiC基GaN的长期合作伙伴日本住友电工设备创新公司(SEDI)和美国半导体制造商II-VI在新泽西州开设了一个六英寸工厂,以更具竞争力的价格为5G基站生产功率晶体管。随着恩智浦和SEDI/II-VI的增产,美国半导体制造商Wolfspeed、Qorvo和其他工厂也在采取行动,向六英寸SiC基GaN生产过渡,这明确表明该技术将从LDMOS手中夺取市场份额(2)。

2 历史上的GaN射频器件收入和预测增长。

国际紧张局势

中美之间正在进行的贸易战对GaN射频器件市场有何影响?与美国一样,中国政府决心充分利用其GaN投资,发展5G商业应用。虽然美国的制裁阻碍了中国的进步,但这些限制也促使政府鼓励发展一个本土的的GaN生态系统。

在紧张局势开始时,华为和中兴囤积了器件,以便继续建设基站和其他网络基础设施。此后,供应链上下游的许多组织都在向GaN输送投资。例如,晶圆制造商和代工厂SICC和海威华芯、集成设备制造商中国电科和能讯以及华为自己的设计公司海思(3)。对中国来说,重要的是,行业反馈表明,一线供应商现在正在用中国的部件生产优质系统。鉴于此,世界其他国家正在密切关注中国的进展。

3 全球GaN射频器件供应商

GaN手机PA

GaN的未来还有很多可能。长远来看,5G手机也可能为GaN射频器件市场带来许多机会。

今天,砷化镓是智能手机中主流的功率放大器(PA)技术,特别是在6GHz以下的手机中。但行业趋势正在发生变化。为了节省手机射频前端的空间,向大带宽、更高的功率密度和效率以及更高的集成度发展,意味着GaN开始吸引OEM厂商,特别是在毫米波频段。事实上,至少有一家主要的半导体公司正在为几家OEM厂商验证用GaN设计的5G手机PA。在未来几年,业界可能会看到使用n77至n79毫米波频段的高端手机中首次采用GaN PA。

接下来可能会发生什么?如果世界上有更多的OEM需要GaN PA,更多的代工厂就会制造它,势头就会越来越猛。如果GaN PA被广泛用于手机的毫米波前端,那么该技术就可能成功。

SiC还是Si?

一路走来,SiC基GaN和硅基GaN晶圆之间的竞争一直在上演。由于拥有廉价的大直径硅基板,硅基GaN为OEM提供了一个光明的机会,可以在既定的、可扩展的晶圆基础上开发相对廉价的GaN器件和系统。渴望探索这一机会的MACOM和意法半导体在2018年联手开发了硅基GaN平台。英飞凌也在开发用于射频的硅基GaN。今年早些时候,美国国防巨头雷神公司和格芯宣布合作,将雷神公司的CMOS基GaN工艺转让给格芯,以实现商业化。

硅基GaN可能会提供大批量、对成本敏感的5G手机所需要的更便宜的PA,但该技术并没有从授予硅基GaN的数十亿美元国防投资中受益。因此,硅基GaN的供应链还没有发展起来,技术发展跨越了从外延到模块。尽管如此,硅基GaN和SiC基GaN的利弊对业界来说还是越来越清楚;目前,技术选择取决于OEM的战略和权衡。

仰望天空

卫星通信为GaN提供了另一条有前途的途径。虽然卫星通信注定是一个小众的、小批量的市场,但却吸引了许多热衷于将GaN应用于VSAT卫星宽带等应用的业界人士。在这里,Qorvo、Wolfspeed和其他公司的GaN PA已经取代了行波管放大器,提高了可靠性并降低了发射-接收地面站的系统成本。在美国和欧洲,无数的大型项目如雨后春笋般出现,推动了VSAT和其他应用的固态GaN PA的发展。

在未来,GaN的高功效和功率密度将使该技术越来越多地应用于卫星。包括加拿大Norsat国际公司、欧洲航天局和GaN器件制造商UMS、Qorvo和OMMIC在内的主要行业参与者都在研究GaN在卫星上的应用。

国防市场仍然重要

撇开太空不谈,可靠的国防市场将在许多年内成为GaN的有力支持者。来自美国政府机构和主承包商(如Northrop Grumman、Lockheed和Raytheon)以及国防半导体供应商Wolfspeed和Qorvo的数十亿美元的项目将继续资助技术开发和投入项目中。这些努力将需要一个安全和强大的供应链,这将有利于商业电信和其他市场的跟进。类似的情况也在亚洲和欧洲上演,泰雷兹、萨博和BAE系统公司等都在研究GaN技术,这些技术也将为商业电信市场提供支持。

还有许多问题

虽然GaN射频器件市场的前景是光明的,但成功的程度取决于尚待确定的动态因素。对于SiC基GaN来说,顺利过渡到6英寸晶圆对其近期的成功非常重要。随着恩智浦、SEDI/II-VI和其他参与者的推动,优质晶圆的生产会不会按计划进行?如果不能,这是否会影响到5G对SiC基GaN的采用?同时,手机制造商是否会在他们的5G设备中选择硅基GaN PA?如果业界放弃GaN而保留GaAs或其他技术,如SOI,将会发生什么?中美之间不断加深的紧张关系会有什么影响?只有时间才能揭示射频GaN的结局。


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