Yole 在报告《2021 年氮化镓射频市场：应用、主要参与者、技术和衬底》中预测，氮化镓 (GaN) 射频器件市场将以 18% 的复合年增长率 (CAGR) 增长，从 2020 年的 891 亿美元增长到 2026 年的 2.4 亿美元以上。
到 2026 年，国防和 5G 电信基础设施应用将主导市场，分别占总市场的 49% 和 41%。特别是，到 2026 年，基于 GaN 的宏/微蜂窝细分市场将占 GaN 电信基础设施市场的 95% 以上。  与第一代（硅基）半导体相比，第三代半导体具有宽带隙、高电导率和高导热性。它们具有高临界击穿电场、高电子迁移率和良好的频率特性。氮化镓（GaN）是最具代表性的第三代半导体材料，已成为高温、高频、高功率微波器件的首选材料之一。它是目前理论电光和光电转换效率最高的材料体系。氮化镓的优异特性包括：

目前，三分之二的氮化镓器件用于军事电子领域，如军事通信、电子、干扰、雷达等领域；在民用领域，氮化镓主要用于通信基站、功率器件等领域。

未来五年，基于第三代半导体材料的电子设备将在5G基站、新能源汽车、特高压、数据中心等场景中得到广泛应用。

       

射频氮化镓技术

它与5G完美契合。

氮化镓的带隙为3.4eV，而目前最常用的半导体材料硅的带隙为1.12eV。因此，在高功率和高速器件中，氮化镓的性能优于硅器件。
氮化镓一直以其高功率处理能力而闻名，是基站、雷达、航空电子设备等无线通信设备的首选放大器材料，并在4G通信系统中应用多年。在5G移动通信系统中，基站和移动电话终端的数据传输速率比4G更快，调制技术的频谱利用率更高，这对射频前端组件和模块提出了更高的要求。此外，氮化镓对电磁辐射的敏感性较低，氮化镓组件在辐射环境下表现出很高的稳定性。与砷化镓（GaAs）晶体管相比，氮化镓晶体管可以在更高的温度和电压下工作，使其成为理想的微波频率功率放大组件。作为第三代半导体材料，氮化镓的研究和应用已有20余年，但直到近年来其商业化发展前景才开始显现，而5G无疑是推动其发展的主要动力之一。 5G通信的射频前端对高频和高效率有着严格的要求，而氮化镓恰好满足这些要求。此外，汽车电气化和便携式电子产品对快速高效充电的需求也将推动氮化镓功率器件走向大众市场，逐步取代传统的硅功率器件。

▲不同材料体系射频功率晶体管对比图

▲GaNHEMT器件结构▌高输出功率和高附加效率  

GaN材料体系易于形成异质结材料体系，例如AlGaN/GaN。异质结界面处存在极强的自发极化和压电极化效应，诱导产生的二维电子气浓度非常高，电子迁移率高达2000cm²/V·s。因此，基于GaN异质结构的晶体管也被称为高电子迁移率晶体管，即GaNHEMT（高电子迁移率晶体管）。同时，GaN材料的击穿场强很高，比Si和GaAs高数倍；GaNHEMT器件中使用的SiC半绝缘衬底的热导率优于金属铜，其良好的散热特性有利于高功率运行；GaNHEMT还具有寄生电容低、击穿电压高的特点，非常适合实现高效功率放大器（PA）。

▌长脉冲宽度，高占空比  

GaNHEMT通常外延生长在宽带隙材料SiC半绝缘衬底上。通过适当控制GaNHEMT的功率密度，可以轻松实现长脉冲宽度、高占空比，并可实现高功率连续波工作。

▌工作频率带宽，高频  

GaNHEMT的截止频率直接决定了其应用的工作频率和瞬时带宽。截止频率随沟道掺杂浓度的增加而增大，随沟道厚度和栅极长度的增加而减小。由于硅半导体材料禁带能量的限制，其截止频率较低，因此硅半导体功率器件的工作频率只能低于S波段。GaAs器件的载流子迁移率远高于其他器件，且截止频率也较高。然而，GaAs器件受限于击穿场强，且工作电压较低，导致器件输出功率较低。GaNHEMT具有宽带隙、高击穿场强和高饱和电子漂移速度等特性，弥补了GaAs器件的这些不足，从而获得了良好的高频性能。GaNHEMT可以在更高的频率下工作，同时保持较高的输出功率。此外，GaNHEMT的固有特性使其输入输出阻抗更高，更容易实现电路的宽带阻抗匹配，这使得GaNHEMT适用于宽带应用。

▲不同材料体系中射频器件的工频工作范围▌较强的抗辐射能力和较强的环境适应能力  

氮化镓（GaN）是一种极其稳定的化合物，具有很强的原子键、高导热性、III-V族化合物中最高的电离度以及良好的化学稳定性，这使得GaN器件比硅（Si）和砷化镓（GaAs）器件更耐辐射。同时，GaN也是一种高熔点、高导热性的材料。GaN功率器件通常采用导热性更好的碳化硅（SiC）作为衬底，因此GaN功率器件具有更高的结温，能够在高温环境下工作。

参数	Si	砷化镓	氮化镓
带隙宽度（eV）	1.1	1.4	3.4
介电常数	11.8	12.8	9.0
击穿场强（106V/cm）	0.6	0.7	3.5
热导率（W/cm.K）	1.3	0.5	1.3
电子迁移率（cm2/Vs）	1450	8500	900
饱和电子速度（107厘米/秒）	1.0	2.0	2.7

▲Key properties of main semiconductor materials

氮化镓射频器件

在各种应用中性能优势

移动通信基站是氮化镓射频器件的主要应用领域之一。与4G相比，5G的通信频段已向高频段迁移。目前我国4G网络通信频段主要为2.6GHz。2017年，工业和信息化部发布了3-5GHz频段（中频段）5G系统频率利用规划。未来，随着容量覆盖的增加，6GHz以上的高频段也将逐步纳入其中。

与SiLDMOS和GaAs相比，基站端的GaN射频器件能够更有效地满足5G对高功率、高通信频段和高效率的要求。SiLDMOS虽然也能输出高功率，但其有效频率范围仅限于3.5GHz以内。GaAs功率放大器虽然可以提高工作频率，但其输出功率远逊于GaN器件。因此，对于需要高功率、高频率和大带宽的5G通信而言，GaN功率放大器是基站的最佳选择。

▌Military Applications – Advantages of Gallium Nitride in Radar and Electronic Warfare Systems  

目前，射频氮化镓器件最大的市场在军事和航空航天领域。大约十五年前，在美国国防部的资助下，研究人员开始投资射频氮化镓技术，由此催生了当前的射频氮化镓器件市场。

根据 Strategy Analytics 的统计数据，国防和航空航天应用占射频氮化镓总市场规模的 40%，雷达和电子战系统是射频氮化镓最大的应用市场。

2017年3月，雷神公司宣布其“爱国者”导弹防御系统采用了基于氮化镓技术的最新天线系统。“爱国者”导弹防御系统是一种陆基导弹防御系统，能够拦截弹道导弹、无人机和飞机。

▲爱国者导弹

旧式“爱国者”导弹系统采用的雷达技术称为被动电子扫描阵列（PASA）。新型雷达系统则改为主动电子扫描阵列（AESA）。主动电子扫描阵列将使“爱国者”导弹系统具备360度全方位雷达探测能力。

雷神公司空中与导弹综合防御业务发展副总裁蒂姆·格莱泽表示：“雷神公司认为，升级到基于氮化镓技术的有源电子扫描阵列雷达将使爱国者系统能够保持其在对抗新型进攻性武器方面的优势。”

有源相控阵雷达基于相控阵技术。相控阵装置包含一组可独立控制的天线。利用波束成形技术，这组天线可以朝向不同的方向旋转。

值得注意的是，这些技术正从军事领域转向商业领域。例如，有源电子扫描阵列和相控阵技术已被应用于60GHz毫米波Wi-Fi技术、汽车雷达系统和无线基站。此外，相控阵技术将在5G中得到广泛应用。

与此同时，采用氮化镓技术制造的功率放大器也被用于军用手持无线电的点对点通信中。

▌Commercial Applications - Performance Advantages of Gallium Nitride in Power Management  

氮化镓是一种宽带隙半导体材料，与传统的硅半导体材料相比，它能使功率元件在更高的电压、频率和温度下工作。在电源管理应用中，氮化镓的优势包括：

• 导通损耗小，能量效率高。氮化镓晶体管的导通电阻（Rds,on）是传统硅器件的一半，因此在相同的输出电流下损耗更小，能量效率更高。低损耗也意味着低发热量，这可以有效地简化散热元件和热管理系统的设计；

• 氮化镓晶体管中没有体二极管，也没有反向恢复损耗；

• GaN晶体管的输入电荷非常小，几乎没有栅极驱动损耗；

• 氮化镓功率元件可以支持更高的开关频率（氮化镓：1MHz，硅：<100KHz），从而减小无源元件的尺寸；

• 氮化镓器件的功率密度非常高，可达硅基LDMOS的四倍以上。它能够在减小尺寸的同时提高输出功率。

  
  

     

英飞凌大中华区电源管理及多电子事业部高级市场经理陈庆元对比了氮化镓和碳化硅这两种第三代半导体材料的优缺点。两者都具有快速开关性能，有助于提高效率，但氮化镓的损耗低于碳化硅。

应用场景的进一步比较表明，在高功率和高电压应用场景中，SiC展现出良好的成熟度和成本效益；而在100V至600V的低压和中压应用中，氮化镓可以实现更高的成本效益。从结构上看，氮化镓是横向结构（例如JFET），难以达到SiC MOSFET（垂直结构）的高压能力。

氮化镓更适用于本质上处于常关状态的开关，并且是迄今为止所有硅晶体管的后继技术。此外，从整体系统角度来看，氮化镓的优势在于它可以使拓扑结构更加紧凑。

英飞凌开发的CoolGaN系列产品是一种氮化镓增强型高电子迁移率晶体管（E-HEMT），非常适合在高压下进行高频开关操作。它可以实现更薄的设计，进一步提高功率密度，从而进一步提升转换效率并降低整个系统的成本。

安森美半导体战略营销总监 Yong Ang 进一步解释说，氮化镓元件的寄生电容比硅元件低，因此可以降低与栅极电荷 Qg 相关的开关损耗，并将开关频率提高到数百 kHz 到 MHz 的范围内，而不会降低能源效率。

与硅功率器件不同，氮化镓器件没有体二极管。氮化铝镓（AlGaN）/氮化镓界面上的二维电子气（2DEG）可以反向导电，但不存在反向恢复电荷（QRR），因此非常适合硬开关应用。

由于氮化镓对过电压非常敏感，且其雪崩能力远逊于硅，因此特别适用于半桥拓扑结构，其中漏源电压被钳位至电源轨电压。氮化镓在零电压开关（ZVS）拓扑结构中具有极大的应用前景，例如谐振LLC电路、有源钳位反激电路和硬开关图腾柱PFC电路。

▲主流射频器件技术在不同应用领域的发展路径

全球氮化镓射频器件

Industry chain competition landscape

目前，射频器件的主要市场如下：移动电话和通信模块市场，约占 80%；WIFI 路由器市场，约占 9%；通信基站市场，约占 9%；NB-IoT 市场，约占 2%。

▌海外氮化镓射频器件产业链中的关键企业及产品进展  

氮化镓（GaN）微波射频器件产品的推出速度显著加快。尽管微波射频领域目前备受关注，但由于技术水平高、专利壁垒高，与电力电子和光电子领域相比，该领域的企业数量相对较少，但大多数企业都拥有强大的科研实力和市场运营能力。氮化镓微波射频器件的商业化供应正在快速增长。

Qorvo产品的工作频率范围最大，而Skyworks产品的工作频率范围较小。Qorvo、CREE和MACOM三家公司73%的产品输出功率集中在10W至100W之间，最大功率可达1500W（工作频率为1.0-1.1GHz，由Qorvo生产）。其主要工艺采用GaN/SiC GaN路线。

In addition, some companies provide GaN RF module products. Currently, 4 companies provide sales of GaN RF amplifiers. Among them, Qorvo products have the largest operating frequency range and the maximum operating frequency can reach 31GHz. Skyworks products operate at smaller frequencies, mainly between 0.05-1.218GHz.

Qorvo射频放大器拥有最丰富的产品线。在我国工业和信息化部公布的5G两大工作频段（3.3-3.6GHz和4.8-5GHz）中，Qorvo推出的射频放大器产品种类最多，最高功率分别达到100W和80W（Qorvo 1月份推出的4.8-5GHz产品最高功率为60W），ADI 4.8-5GHz产品的最高功率也提升至50W（此前产品最高功率低于40W），其他产品的功率大多低于50W。

▌中国大陆氮化镓射频器件产业链重点企业及产品进展  

出于对我国技术发展速度的担忧，以及遏制我国新材料技术发展的想法，欧美国家对我国第三代半导体材料实施了几乎完全的技术和材料封锁。

在此背景下，我国科研机构和企业以自主创新为基础，在氮化镓微波射频领域取得了显著成果，并在军工国防和民用通信领域取得了突破性进展，创建了中电科技十三、中电科技五十五、中兴通讯、大唐移动等重点企业，以及中国移动、中国联通等主要客户。

苏州能迅推出了频率高达 6GHz、工作电压 48V、设计功率从 10W 到 320W 的射频功率晶体管。

在移动通信领域，苏州能迅已能提供适用于LTE、4G、5G等移动通信应用的高效高增益射频功率放大管。其工作频率范围为1.8-3.8GHz，工作电压为48V，设计功率范围为130W-390W，平均功率为16W-55W。

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