随着技术的发展，终端设备对于半导体器件性能、效率、小型化要求的越来越高，特别是随着5G的即将到来，也进一步推动了以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料的快速发展。

一、GaN的神奇

1、GaN是什么？

GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度，在III-V族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。

2、GaN器件逐步步入成熟阶段

氮化镓技术可以追溯到1970年代，美国无线电公司（RCA）开发了一种氮化镓工艺来制造LED。

自上世纪90年代开始，基于GaN的LED大放异彩，目前已是LED的主流。现在市场上销售的很多LED就是使用蓝宝石衬底的氮化镓技术。

除了LED，氮化镓也被使用到了功率半导体与射频器件上。基于氮化镓的功率芯片正在市场站稳脚跟。

2010年，第一个GaN功率器件由IR投入市场，2014年以后，600V GaN HEMT已经成为GaN器件主流。

2014年，行业首次在8英寸SiC（碳化硅）上生长GaN器件。

高转换效率：GaN的禁带宽度是Si的3倍，击穿电场是Si的10倍。因此，同样额定电压的GaN开关功率器件的导通电阻比Si器件低3个数量级，大大降低了开关的导通损耗。

低导通损耗：GaN的禁带宽度是Si的3倍，击穿电场是Si的10倍。因此，同样额定电压的GaN开关功率器件的导通电阻比Si器件低3个数量级，大大降低了开关的导通损耗。

更高功率：GaN上的电子具有高饱和速度（在非常高的电场下的电子速度）。结合大电荷能力，这意味着GaN器件可以提供更高的电流密度。RF功率输出是电压和电流摆动的乘积，因此更高的电压和电流密度可以在实际尺寸的晶体管中产生更高的RF功率。在4GHz以上频段，可以输出比GaAs高得多的频率，特别适合雷达、卫星通信、中继通信等领域。

更高效率：降低功耗，节省电能，降低散热成本，降低总运行成本。

更大的带宽：提高信息携带量，用更少的器件实现多频率覆盖，降低客户产品成本。也适用于扩频通信、电子对抗等领域。

另外值得一提的是，GaN-on-SiC器件具有出色的热性能，这主要归功于SiC的高导热性。实际上，这意味着GaN-on-SiC器件在耗散相同功率时不会像GaAs或Si器件那样热。“较冷”设备意味着更可靠的设备。

4、与第二代半导体材料GaAs相比优势明显

GaN器件的功率密度是砷化镓（GaAs）器件的十倍。GaN器件的更高功率密度使其能够提供更宽的带宽，更高的放大器增益和更高的效率，这是由于器件外围更小。

GaN场效应晶体管（FET）器件的工作电压可以比同类GaAs器件高五倍。由于GaNFET器件可以在更高的电压下工作，因此设计人员可以更轻松地在窄带放大器设计上实现阻抗匹配。阻抗匹配是以这样的方式设计电负载的输入阻抗的实践，其最大化从设备到负载的功率传输。

GaNFET器件的电流是GaAsFET器件的两倍。由于GaNFET器件可提供的电流是GaAsFET器件的两倍，因此GaNFET器件具有更高的带宽能力。大部分的半导体器件对于温度的变化都是非常敏感的，为了保证可靠性，半导体的温度变化必须被控制在一定范围内。

热管理对于RF系统来说尤其重要，因为它们本身能量损耗就比较高，会带来比较严重的散热问题。GaN在保持低温方面有其独特优势，另外即使在温度较高的情况下，相比于硅其性能影响较小。例如100万小时失效时间中位数MTTF显示，GaN比GaAs的工作温度可以高50摄氏度。

随着成本降低，GaN市场空间巨大。GaN与SiC、Si材料各有其优势领域，但是也有重叠的地方。

GaN材料电子饱和漂移速率最高，适合高频率应用场景，但是在高压高功率场景不如SiC；随着成本的下降，GaN有望在中低功率领域替代二极管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。

以电压来分，0~300V是Si材料占据优势，600V以上是SiC占据优势，300V~600V之间则是GaN材料的优势领域。

根据Yole估计，在0~900V的低压市场，GaN都有较大的应用潜力，这一块占据整个功率市场约68%的比重，按照整体市场154亿美元来看，GaN潜在市场超过100亿美元。

GaNRF市场即将大放异彩。根于Yole的预测，在通信和国防应用的推动下RFGaN产业在2017年至2023年期间的复合年增长率将会达到的23％。截至2017年底RFGaN市场总量接近3.8亿美元，2023年将达到13亿美元以上。

基于RF的GaN技术也在不断创新以满足工业界需求。国防应用是RFGaN的主要市场领域，这是因为GaN产品具有专业的高性能要求和低价格优势。

2017-2018年间，国防应用占GaN射频市场总量的35％以上，目前全球国防市场在GaN领域没有放缓迹象。

二、GaN市场：射频是主战场，5G是重要机遇

1、GaN是射频器件的合适材料

目前射频市场主要有三种工艺：GaAs工艺，基于Si的LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）工艺，以及GaN工艺。GaAs器件的缺点是器件功率较低，低于50W。

LDMOS器件的缺点是工作频率存在极限，最高有效频率在3GHz以下。GaN弥补了GaAs和Si基LDMOS两种老式技术之间的缺陷，在体现GaAs高频性能的同时，结合了Si基LDMOS的功率处理能力。

在射频PA市场，LDMOSPA带宽会随着频率的增加而大幅减少，仅在不超过约3.5GHz的频率范围内有效，采用0.25微米工艺的GaN器件频率可以高达其4倍，带宽可增加20%，功率密度可达6~8W/mm（LDMOS为1~2W/mm），且无故障工作时间可达100万小时，更耐用，综合性能优势明显。

在更高的频段（以及低功率范围），GaAsPA是目前市场主流，出货占比占9成以上，与GaAs RF器件相比，GaN优势主要在于带隙宽度与热导率。

带隙宽度方面，GaN的带隙电压高于GaAs（3.4eVVS1.42eV），GaN器件具有更高的击穿电压，能满足更高的功率需求。

热导率方面，GaN-on-SiC的热导率远高于GaAs，这意味着器件中的功耗可以更容易地转移到周围环境中，散热性更好。

2、GaN是5G应用中的关键技术

5G将带来半导体材料革命性的变化，随着通讯频段向高频迁移，基站和通信设备需要支持高频性能的射频器件，GaN的优势将逐步凸显，这正是前一节讨论的地方。正是这一优势，使得GaN成为5G的关键技术。

在Massive MIMO应用中，基站收发信机上使用大数量（如32/64等）的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和连接可靠性，这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套，因此射频器件的数量将大为增加，使得器件的尺寸大小很关键。

利用GaN的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案，如模块化射频前端器件。

除了基站射频收发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加，基站密度和基站数量也会大为增加，因此相比3G、4G时代，5G时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加。

在5G毫米波应用上，GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。

2018年12月，Qorvo发布行业首款28GhzGaN前端模块QPF4001FEM，在单个MMIC中集成了高线性度LNA、低损耗发射/接收开关和高增益、高效率多级PA。针对5G基站架构中间隔28GHz的相控阵元件，对紧凑对紧凑型5x4毫米气腔层表贴封装进行了优化。该模块采用了Qorvo的高效率0.15微米GaN-on-SiC技术。

3、GaN电力电子器件典型应用：快充电源

GaN电力电子器件方面典型应用市场是电源设备。由于结构中包含可以实现高速性能的异质结二维电子气，GaN器件相比于SiC器件拥有更高的工作频率，加之可承受电压要低于SiC器件，所以GaN电力电子器件更适合高频率、小体积、成本敏感、功率要求低的电源领域，如轻量化的消费电子电源适配器、无人机用超轻电源、无线充电设备等。

GaN电力电子器件增速最快的是快充市场。2018年，世界第一家GaNIC厂商Navitas和Exagan推出了带有集成GaN解决方案（GaNFast）的45W快速充电电源适配器，此45W充电器与AppleUSB-C充电器相比，两者功率相差不大，但是体积上完全是不同的级别，内置GaN充电器比苹果充电器体积减少40%。目前来看，采用GaN材料的快速充电器已成星火燎原之势，有望成为行业主流。

三、GaN产业链梳理

典型的GaN射频器件的加工工艺主要包括外延生长-器件隔离-欧姆接触（制作源极、漏极）-氮化物钝化-栅极制作-场板制作-衬底减薄-衬底通孔等环节。

从专利角度看，住友电工是RFGaN器件的市场的领军者，但是相比于Cree仍然有不小差距。住友电工在专利方面目前有所放缓，而其他日本公司如富士通，东芝和三菱电机正在增加其专利申请，目前也拥有强大的专利组合。

Intel和MACOM目前是RF GaN领域最活跃申请专利的两家公司，尤其是GaN-on-Silicon技术，如今这两家公司在RF GaN专利领域拥有重要IP。

参与RF GaN市场的其他公司，如Qorvo，Raytheon，Northrop Grumman，恩智浦/飞思卡尔和英飞凌，拥有一些关键专利，但知识产权地位仍然相对薄弱。

总体来说，RFGaN领域方面，依然是被美国和日本公司主导。