2020年11月05日 | 5G为GaN与GaAs带来蓬勃发展商机

氮化镓作为一种新兴的成熟硅材料，无疑是射频行业的突破性技术之一。长期以来，GaN一直被认为是一项针对军事应用的高端高成本技术，2010年中期，GaN进入华为第四代（4G）长期演进（LTE）远程无线头（RRH）基站，GaN射频器件以其高功率密度和更小的体积等特点在商业电信基础设施应用中得到了广泛的市场应用。在5G部署需要更高频率之后，GaN在更高带宽和更高功率密度方面的性能超过了现有的基于硅的LMDOS技术。随着新兴市场机遇的到来，业界提出了以下问题：随着5G的到来，GaN射频市场的商业前景如何？哪种技术，碳化硅上氮化镓或硅上氮化镓将主导市场？哪类商业模式将主导市场？鉴于中美紧张局势，GaN射频业务将如何发展？

GaN：更快，更好，更强！

国家安全一直是任何国家的首要任务之一。因此，国家预算的很大一部分用于军事开支。为了寻求更快、更好、更强的防御和攻击策略，军事应用优先考虑高性能系统。因此，更快、更高质量的数据通信提供更好的军事情报，或者可以有较强的干扰对方的能力，以在对抗中创造优势。在过去的几十年里，下一代电子系统的投资和发展促进了固态技术的应用，特别是在军事雷达、电子战和军事通信方面。在军用雷达领域，有源电子扫描阵列（AESA）系统取代了传统的真空管，具有探测面积大、扫描速度快、空间分辨率高、可扩展性强、易于配置等优点。在这种情况下，在AESA技术中使用GaN-on-SiC有助于在提高系统效率的同时减少占地面积和重量。作为LDMOS和GaAs的替代品，GaN在尺寸受限的空间内具有高的热导率和更高的功率密度。

在过去的几年里，GaN在军事雷达中的部署已经在一些国家成为广受欢迎的长期运行和高预算项目。继美国在GaN基雷达应用领域处于领先地位之后，欧洲、韩国和中国也建立了许多项目，以利用GaN系统更高的性能、可扩展性和更小的体积。

因此，用于军事用途的GaN射频器件预计将迅速增加，到2025年，其价值预计将超过10亿美元（见图1）。据Yole Dédevelopement（Yole）称，AESA雷达中数量众多的GaN设备对军事代工厂和承包商来说是一个有趣的市场机会。虽然高成本仍然被认为是GaN的主要瓶颈，但国防工业预计，随着GaN在商业市场的采用，成本将降低，尤其是在4G和5G电信基础设施领域。

图1

5G电信基础设施：GaN正在制定规则

在5G基础设施市场中，对于更高效的天线类型存在持续的竞争。从RRH到有源天线系统（AAS）的切换技术将使射频前端从较少的大功率射频线路转变为海量的低功率射频线路。同时，在Sub-6GHz和毫米波频段部署更高频率，促使OEM寻找更大带宽、更高效率和更好热管理的新天线技术平台。在这种情况下，GaN技术已经成为LDMOS和GaAs在射频功率应用中的一个重要竞争对手，显示出持续的高性能和高可靠性，从而有可能在系统级降低成本。在进军4G-LTE电信基础设施市场之后，预计GaN-on-SiC将在5G-6GHz-RRH实现中保持其强势地位。然而，在5G Sub-6GHz AAS（有源天线系统）的新兴领域——大规模多输入多输出（MIMO）部署——GaN和LDMOS之间的竞争仍在继续。虽然低成本高效率的LDMOS技术在Sub-6GHz的高频性能方面取得了令人瞩目的进展，但GaN-on-SiC具有显著的带宽、PAE和功率输出。事实上，在中国GaN技术已经被AAS选用。5G电信基础设施是一个非常活跃的市场，需要OEM做出重大战略决策，这可能会为GaN技术平台创造新的机遇。

关于微基站，他们开始进入毫米波市场，以解决密集城市及地区的需求。这些系统将迅速发展，特别是因为它们体积小，而且由于距离短，需要多个设备。在这一新兴领域，GaN-on-SiC和GaN-on-Si解决方案与SiGe、SOI、CMOS和GaAs一起均被认为是潜在的候选方案。GaN产业已经开始推出针对这些应用的创新集成技术。

根据System Plus Consulting的分析，Qorvo是最早提供针对毫米波段的集成GaN-on-SiC解决方案的公司之一。通过前端模块方法，Qorvo的产品包括采用0.15微米GaN on SiC技术的多功能GaN MMIC，目标工作频率在37-40.5 GHz之间（见图2）

图2

集成能力确实是射频行业的关键竞争力。节省空间和降低射频损耗是器件集成的主要驱动因素。GaN技术具有高功率密度和低噪声特性，使功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）和开关技术在SiC和Si衬底上的单片高效集成成为可能。在这种背景下，GaN-on-Si技术是GaN-on-SiC潜在的挑战者，可以为低成本、大直径的硅衬底以及可扩展的衬底供应链提供具有成本效益的集成解决方案。截至目前，尽管GaN on-Si在电信基础设施的市场容量仍然很小，但电信设备供应商正密切关注和评估Sub-6 GHz和毫米波段的技术发展。

尽管如此，GaN射频业务不仅依赖于OEM的技术选择，还取决于地缘政治背景。在美国于对华为实施制裁之后，出现了供货短缺的局面，主要集中在基于GaN的电信基础设施市场。因此，观察各种战略伙伴关系和投资如何展开将是非常重要的。

5G手机PA:GaAs还是GaN？

5G电信基础设施市场并不是GaN-on-Si技术平台的唯一机会。在过去的几年里，几家公司一直在为5G手机市场开发PA技术。由于OEM希望节省手机射频前端的空间，GaN可以为其提供高功率密度和高效率的优势，从而彻底改变射频行业。作为一个新产品，GaN在Sub-6GHz和mmWave领域面临着来自同类GaAs的激烈竞争。作为3G和4G手机PA的主要组成部分，GaAs将继续在Sub-6GHz的手机上部署，因为它满足了对线性度和功率的严格要求。每一代手机都需要更多的频段和更多的PA，随着向5G的过渡，Yole预计每部手机的总PA大小会有所增加。对于移动连接，趋势正在转向基于SiGe的SoC解决方案，除了高端手机，GaAs PA由于性能更好而保持不变。然而，新发布的Wi-fi 6e标准将发展到6GHz，SiGe性能将受到限制，GaAs将获得认可。

综上所述，大容量手机市场推动下的GaAs射频芯片市场预计到2025年将超过36亿美元，正如Yole所预测的那样。这包括射频GaN和RF-GaAs市场更新，并概述了Sub-6GHz的技术平台和mmWave RFFE架构之间的竞争（见图3）。然而，与GaN射频市场类似，即便是成熟的砷化镓射频行业也感受到了中美贸易紧张和新冠疫情的影响，这在2019-2020年期间全球智能手机市场造成了重要影响。

图3

综上所述，RF-GaN的商业前景是光明的，但并不直接。面对5G基础设施和RFFE领域成熟的Si和GaAs技术平台的“移动目标”，GaN产业正在不断发展并赢得新的战斗。展望未来，GaN在大批量的商业市场上确实有着令人兴奋的商机。现在的问题是哪个OEM将决定其未来，以及何时？

本文作者：Ezgi Dogmus博士，是Yole电力与无线部门的分析师。同时还包括Yole化合物半导体市场分析师Ahmed Ben Slimane和System Plus Consulting的半导体器件部门主管Elena Barbarini。