RF GaN器件在电信基础设施中加速采用，特别是5G应用为GaN-on-Si打开了新的机遇。据Yole Intelligence预计，在电信和国防应用的推动下，到2028年RF GaN器件市场将达到27亿美元。实现这一目标还有5年时间，我们来看看这段时间RF GaN市场将要经历一些怎样的变化？
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RF GaN：电信基础设施领涨
RF GaN的领导厂商包括SEDI、Qorvo、Wolfspeed、恩智浦……正在为到2028年实现近30亿美元的市场铺平道路。
在电信基础设施中，GaN以其高功率和高频性能优势渗透到了各种基站中。随着宏/微基站从RRH（射频拉远头）向AAS（有源天线系统）的转变，大规模MIMO（多进多出）需要每个基站更多的PA（功放）单元。
与LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）相比，在3GHz以上频率下更高的PAE（功率附加效率）和更宽的频带能力是GaN增长的机会。到2028年，基于GaN的电信基础设施设备市场预计将超过13亿美元，占总市场的近45%。预计2028年将达到27亿美元，2022年至2028年的复合年增长率为12%。
2022-2028年RF GaN器件市场预测
Yole Intelligence专门研究化合物半导体和新兴材料的技术和市场分析师Aymen Ghorbel表示：“截至2023年，GaN-on-SiC仍然是RF GaN的主要平台，因为供应链已经得到了很好的发展。然而，IDM是首选的商业模式，因为IDM可以从电信和国防市场的现有客户渠道中受益。”
从市场看，全球SiC晶圆市场仍由Wolfspeed、Coherent和天岳先进三大供应商共享。排名前三的器件厂商稳定性很好，2022年，SEDI（日本住友电工）、Qorvo和Wolfspeed在RF GaN器件业务领域遥遥领先，而恩智浦通过进入电信市场的供应链获得了显著增长。
此IDM非彼IDM
Yole Intelligence发布的年度RF GaN报告认为，电信和国防是RF GaN的主要市场驱动力。其中的IDM并不是我们理解的供应链中的垂直整合模式，而是综合国防制造商（integrated defense manufacturer）首选的商业模式，因为IDM可以从电信和国防市场的现有客户渠道中受益。
作为传统的GaN市场，国防部门是RF GaN的主要驱动因素之一，因为GaN-on-SiC仍然是在国防雷达、电子战和国防通信应用中实现高要求应用的主要平台。
在国防领域，雷神公司（Raytheon Company）、诺斯罗普·格鲁曼（Northrop Grumman）和中国电科公司在GaN的采用方面处于领先地位。美国国防部信任的Wolfspeed和Qorvo也是GaN的代工厂。
2022年RF GaN器件玩家排名前四
围绕电信市场的供应，爱立信和诺基亚继续从多家器件供应商那里扩大RF GaN器件的供应，而三星则与韩国器件制造商密切合作。自美国制裁以来，华为和中兴已转向中国供应链发展国内能力。
从2018年开始，中国就有许多企业涌入了芯片赛道，业务涉及指令集架构、芯片研发、芯片生产、芯片设计、芯片封装、半导体设备生产和芯片材料等诸多领域，假以时日中国有望摆脱对国际供应链的依赖，形成国内自循环。
GaN-on-SiC还是GaN-on-Si？
RF GaN-on-SiC器件可应用于5G宏基站、卫星通信、微波雷达、航空航天等军事/民用领域；GaN-on-Si可制成功率器件，在大功率快充、新能源车、数据中心等领域实现快速渗透；GaN-on-sapphire和GaN-on-GaN可制成光电器件，GaN光电器件在miniLED、MicroLED、传统LED照明领域应用优势明显。
从性能看，GaN-on-SiC更好，但其价格高于GaN-on-Si。GaN-on-SiC具有SiC优异的导热性及GaN的高功率密度、低损耗特点。与Si相比，SiC还是一种非常“耗散”的衬底，有助于基板上的器件在高压和高漏极电流下运行，随着射频功率提升结温缓慢升高，是射频应用的理想材料。
在相同耗散条件下，SiC器件的可靠性和寿命更好。另外，SiC具有高电阻，有利于毫米波传输，特别是高频MMIC。因此，目前业界多数商用RF GaN器件都采用GaN-on-SiC衬底。不过，SiC衬底尺寸仍局限于4英寸和6英寸，8英寸还有待商用。
GaN-on-SiC和GaN-on-Si应用的发展趋势
GaN-on-Si的最大优势是衬底成本低，生长速度较快，晶圆容易扩展到8英寸。虽然GaN-on-Si性能较GaN-on-SiC有一点差异，但采用目前工艺制造的器件已能在高于2GHz频率条件下满足LDMOS功率密度要求。另外，GaN-on-Si是硅基工艺，使GaN器件与CMOS工艺能很好地集成在一个芯片上，可以利用现有硅晶圆代工厂进行规模量产。
电信业新机遇为RF GaN-on-Si打开大门
从应用发展角度来看，5G通信对RF器件的需求正在快速增长，需要大批量低成本的GaN射频芯片，给GaN-on-Si提供了发展机会。事实上，由于5G基站的安装增加，RF GaN-on-SiC重新获得了发展势头，同时GaN-on-Si领域也发生了重大收购。
5G电信基础设施市场仍然主导并推动着RF GaN市场。自2022年第四季度以来，Qorvo和Wolfspeed等器件市场领导者宣布收入放缓。然而，与硅LDMOS相比，我们仍然预计RF GaN-on-SiC器件将被用于电信基础设施市场，这主要是由印度在H2-2023年和2024年的投资推动的。
与此同时，GaN-on-Si技术仍在由生态系统进行研究和开发，主要由英飞凌、MACOM和意法半导体等领先企业以及GlobalFoundries、UMC等代工厂推动。可以预计，到2028年，RF GaN市场将超过20亿美元，主要受5G电信基础设施的推动。
2021-2025年按细分市场划分的RF GaN器件市场收入（单位：百万美元）
Yole集团旗下Yole Intelligence专门研究化合物半导体和新兴衬底的高级技术和市场分析师Poshun Chiu认为：“截至2023年，主流的GaN技术都是在SiC衬底上。该技术已经很成熟，在高功率和高频率下表现出良好的性能。过去几年，意法半导体与MACOM、Ommic、英飞凌以及GlobalFoundries和UMC等代工厂一直在致力于引入RF GaN-on-Si技术。由于电信小型基站需要功率较低的PA，GaN-on-Si可以在低于10W的32T32R和64T64R mMIMO基站中找到最佳位置。我们预计GaN-on-Si将从2023年底开始进入市场，并在未来几年占据市场份额。”
截至2023年，RF GaN在电信基础设施市场的渗透率
2022年5月，意法半导体和MACOM宣布成功生产出RF GaN-on-Si原型晶圆和器件，实现了成本和性能目标，可有效与市场上现有的LDMOS和GaN-on-SiC技术竞争。
意法半导体功率晶体管总经理兼执行副总裁Edoardo Merli表示：“我们相信，该技术现在已经达到了性能和工艺成熟度，可以为包括无线基础设施在内的大批量应用提供有吸引力的成本和供应链优势。”
2023年全球GaN-on-Si供应链能力
今年3月，英飞凌以8.3亿美元收购了GaN Systems，并斥资20亿欧元扩充其马来西亚居林和奥地利菲拉赫晶圆厂的GaN芯片产能。英飞凌预测，到2027年GaN芯片市场将以每年56%的速度增长。
中国GaN产业还处于起步阶段，材料企业有三安光电、英诺赛科、士兰微、苏州能讯、江苏能华、大连芯冠等。芯片设计主要有华为海思、安谱隆等。海威华芯和三安集成则可提供GaN晶圆代工服务。
在衬底材料方面，天岳先进、三安光电、天科合达、英诺赛科等中国本土企业的全球市占率在10%左右，三安光电、英诺赛科等重点研发基站用RF GaN-on-Si和功率芯片。外延片代表企业有苏州晶湛、聚能晶源和聚灿光电。海威华芯、三安集成和华进创威等开始涉足GaN射频HEMT相关专利。
长期以来，RF功率技术LDMOS主导了早期RF功率放大器。对于这些RF功率放大器，GaN可以提供比LDMOS更高的RF特性和显著更高的输出功率，而RF GaN-on-Si为5G和6G基础设施提供了巨大潜力。
事实上，虽然GaN既可以在硅晶圆上制造，也可以在SiC晶圆上制造，但RF GaN-on-SiC终究不是一种主流半导体制造工艺，还要考虑和高功率应用争夺SiC晶圆，这些都可能会导致其成本更加昂贵。而意法半导体和MACOM正在开发的GaN-on-Si技术有望通过标准半导体工艺流程的集成提供具有竞争力的性能和巨大的规模经济效益。
随着技术节点的发展，开发Ku/K/Ka频段平台的器件制造商开始瞄准亚太赫兹（Sub-THz）频率0.1µm以下节点和未来潜在的6G市场。RF应用的新兴GaN-on-Si平台的目标在于，通过在较低功率水平利用效率和宽带宽来实现低于6GHz的小基站。不过，考虑到改变手机系统设计的复杂性，这只是GaN-on-Si的长期目标市场。
GaN-on-Si将变得炙手可热
多年来，RF GaN因其在功率放大器级的卓越性能而广泛应用于4G基站，与此同时，国防应用不断扩大军事雷达和电子战系统中对RF GaN-on-SiC的需求。不过，随着美国对华为的禁令、新冠疫情的影响以及基站部署的放缓，RF GaN在2021年面临了调整。
截至2023年，制造商也在加快GaN在其系统中的应用，以促进5G部署的复苏。除了GaN-on-SiC，GaN-on-Si正变得越来越成熟，新的合作伙伴关系正在形成。从2023年起，该行业将发生一些明显的变化，包括器件厂商SEDI、Wolfspeed、Qorvo和恩智浦，以及晶圆和外延厂商Wolfspeed、IQE、Coherent和天岳先进都可能给我们带来一些惊喜。
