Yole 在報告《2021 年氮化鎵射頻市場：應用、主要參與者、技術和基板》中預測，氮化鎵 (GaN) 射頻元件市場將以 18% 的複合年增長率 (CAGR) 成長，從 2020 年的 891 億美元增長到 2026 年以上的 2.4 億美元。
到 2026 年，國防和 5G 電信基礎設施應用將主導市場，分別佔總市場的 49% 和 41%。特別是，到 2026 年，基於 GaN 的宏/微蜂窩細分市場將佔 GaN 電信基礎設施市場的 95% 以上。  與第一代（矽基）半導體相比，第三代半導體具有寬帶隙、高電導率和高導熱性。它們具有高臨界擊穿電場、高電子遷移率和良好的頻率特性。氮化鎵（GaN）是最具代表性的第三代半導體材料，已成為高溫、高頻、高功率微波裝置的首選材料之一。它是目前理論電光和光電轉換效率最高的材料體系。氮化鎵的優異特性包括：

目前，三分之二的氮化鎵元件用於軍事電子領域，如軍事通訊、電子、幹擾、雷達等領域；在民用領域，氮化鎵主要用於通訊基地台、功率元件等領域。

未來五年，基於第三代半導體材料的電子設備將在5G基地台、新能源汽車、特高壓、資料中心等場景中廣泛應用。

       

射頻氮化鎵技術

它與5G完美契合。

氮化鎵的帶隙為3.4eV，而目前最常使用的半導體材料矽的帶隙為1.12eV。因此，在高功率和高速元件中，氮化鎵的性能優於矽元件。
氮化鎵一直以其高功率處理能力而聞名，是基地台、雷達、航空電子設備等無線通訊設備的首選放大器材料，並在4G通訊系統中應用多年。在5G行動通訊系統中，基地台和行動電話終端的資料傳輸速率比4G更快，調變技術的頻譜利用率更高，這對射頻前端組件和模組提出了更高的要求。此外，氮化鎵對電磁輻射的敏感度較低，氮化鎵組件在輻射環境下表現出很高的穩定性。與砷化鎵（GaAs）電晶體相比，氮化鎵電晶體可以在更高的溫度和電壓下工作，使其成為理想的微波頻率功率放大組件。作為第三代半導體材料，氮化鎵的研究和應用已有20餘年，但直到近年來其商業化發展前景才開始顯現，而5G無疑是推動其發展的主要動力之一。 5G通訊的射頻前端對高頻和高效率有著嚴格的要求，而氮化鎵恰好滿足這些要求。此外，汽車電氣化和便攜式電子產品對快速高效充電的需求也將推動氮化鎵功率裝置走向大眾市場，逐步取代傳統的矽功率裝置。

▲不同材料體系射頻功率電晶體對比圖

▲GaNHEMT元件結構▌高輸出功率和高附加效率  

GaN材料體系易於形成異質接面材料體系，例如AlGaN/GaN。異質接面界面處有極強的自發極化和壓電極化效應，誘導產生的二維電子氣濃度非常高，電子遷移率高達2000cm²/V·s。因此，基於GaN異質結構的電晶體也被稱為高電子遷移率電晶體，即GaNHEMT（高電子遷移率電晶體）。同時，GaN材料的擊穿場強很高，比Si和GaAs高數倍；GaNHEMT元件中使用的SiC半絕緣襯底的熱導率優於金屬銅，其良好的散熱特性有利於高功率運轉；GaNHEMT還具有寄生電容低、擊穿電壓高的特點，非常適合實現高效功率放大器（PA）。

▌長脈衝寬度，高佔空比  

GaNHEMT通常外延生長在寬帶隙材料SiC半絕緣基板上。透過適當控制GaNHEMT的功率密度，可以輕鬆實現長脈衝寬度、高佔空比，並可實現高功率連續波工作。

▌工作頻率頻寬，高頻  

GaNHEMT的截止頻率直接決定了其應用的工作頻率和瞬時頻寬。截止頻率隨溝道摻雜濃度的增加而增加，隨溝道厚度和閘極長度的增加而減少。由於矽半導體材料禁帶能量的限制，其截止頻率較低，因此矽半導體功率裝置的工作頻率只能低於S波段。 GaAs元件的載子遷移率遠高於其他元件，且截止頻率也較高。然而，GaAs元件受限於擊穿場強，且工作電壓較低，導致元件輸出功率較低。 GaNHEMT具有寬頻隙、高擊穿場強和高飽和電子漂移速度等特性，彌補了GaAs裝置的這些不足，從而獲得了良好的高頻性能。 GaNHEMT可以在更高的頻率下工作，同時保持較高的輸出功率。此外，GaNHEMT的固有特性使其輸入輸出阻抗更高，更容易實現電路的寬頻阻抗匹配，這使得GaNHEMT適用於寬頻應用。

▲不同材料體系中射頻元件的工頻工作範圍▌較強的抗輻射能力和較強的環境適應能力  

氮化鎵（GaN）是一種極其穩定的化合物，具有很強的原子鍵、高導熱性、III-V族化合物中最高的電離度以及良好的化學穩定性，這使得GaN裝置比矽（Si）和砷化鎵（GaAs）裝置更耐輻射。同時，GaN也是一種高熔點、高導熱性的材料。 GaN功率元件通常採用導熱性較好的碳化矽（SiC）作為襯底，因此GaN功率元件具有更高的結溫，能夠在高溫環境下工作。

參數	Si	砷化鎵	氮化鎵
帶隙寬度（eV）	1.1	1.4	3.4
介電常數	11.8	12.8	9.0
擊穿場強（106V/cm）	0.6	0.7	3.5
熱導率（W/cm.K）	1.3	0.5	1.3
電子遷移率（cm2/Vs）	1450	8500	900
飽和電子速度（107公分/秒）	1.0	2.0	2.7

▲主要半導體材料的關鍵特性

氮化鎵射頻元件

在各種應用中性能優勢

行動通訊基地台是氮化鎵射頻元件的主要應用領域之一。與4G相比，5G的通訊頻段已向高頻段遷移。目前我國4G網路通訊頻段主要為2.6GHz。 2017年，工業與資訊化部發布了3-5GHz頻段（中頻段）5G系統頻率利用規劃。未來，隨著容量覆蓋的增加，6GHz以上的高頻段也將逐步納入其中。

與SiLDMOS和GaAs相比，基地台的GaN射頻元件能夠更有效地滿足5G對高功率、高通訊頻段和高效率的要求。 SiLDMOS雖然也能輸出高功率，但其有效頻率範圍僅限於3.5GHz以內。 GaAs功率放大器雖然可以提高工作頻率，但其輸出功率遠遜於GaN裝置。因此，對於需要高功率、高頻率和大頻寬的5G通訊而言，GaN功率放大器是基地台的最佳選擇。

▌軍事應用－氮化鎵在雷達和電子戰系統的優勢  

目前，射頻氮化鎵元件最大的市場在軍事和航空航太領域。大約十五年前，在美國國防部的資助下，研究人員開始投資射頻氮化鎵技術，這催生了目前的射頻氮化鎵裝置市場。

根據 Strategy Analytics 的統計數據，國防和航空航太應用佔射頻氮化鎵總市場規模的 40%，雷達和電子戰系統是射頻氮化鎵最大的應用市場。

2017年3月，雷神公司宣布其「愛國者」飛彈防禦系統採用了基於氮化鎵技術的最新天線系統。 「愛國者」飛彈防禦系統是一種陸基飛彈防禦系統，能夠攔截彈道飛彈、無人機和飛機。

▲愛國者飛彈

舊式「愛國者」飛彈系統所採用的雷達技術稱為被動式電子掃描陣列（PASA）。新型雷達系統則改為主動電子掃描陣列（AESA）。主動電子掃描陣列將使「愛國者」飛彈系統具備360度全方位雷達偵測能力。

雷神公司空中與導彈綜合防禦業務發展副總裁蒂姆·格萊澤表示：“雷神公司認為，升級到基於氮化鎵技術的有源電子掃描陣列雷達將使愛國者係統能夠保持其在對抗新型進攻性武器方面的優勢。”

主動相控陣雷達是基於相控陣技術。相控陣裝置包含一組可獨立控制的天線。利用波束成形技術，這組天線可以朝向不同的方向旋轉。

值得注意的是，這些技術正從軍事領域轉向商業領域。例如，主動電子掃描陣列和相控陣技術已被應用於60GHz毫米波Wi-Fi技術、汽車雷達系統和無線基地台。此外，相控陣技術將在5G中廣泛應用。

同時，採用氮化鎵技術製造的功率放大器也被用於軍用手持無線電的點對點通訊。

▌商業應用－氮化鎵在電源管理的性能優勢  

氮化鎵是一種寬帶隙半導體材料，與傳統的矽半導體材料相比，它能使功率元件在更高的電壓、頻率和溫度下運作。在電源管理應用中，氮化鎵的優點包括：

• 導通損耗小，能量效率高。氮化鎵電晶體的導通電阻（Rds,on）是傳統矽元件的一半，因此在相同的輸出電流下損耗更小，能量效率更高。低損耗也意味著低發熱量，這可以有效簡化散熱元件和熱管理系統的設計；

• 氮化鎵電晶體中沒有體二極體，也沒有反向恢復損耗；

• GaN電晶體的輸入電荷非常小，幾乎沒有閘極驅動損耗；

• 氮化鎵功率元件可以支援更高的開關頻率（氮化鎵：1MHz，矽：<100KHz），從而減少被動元件的尺寸；

• 氮化鎵裝置的功率密度非常高，可達矽基LDMOS的四倍以上。它能夠在減小尺寸的同時提高輸出功率。

  
  

     

英飛凌大中華區電源管理及多電子事業部高級市場經理陳慶元對比了氮化鎵和碳化矽這兩種第三代半導體材料的優缺點。兩者都具有快速開關性能，有助於提高效率，但氮化鎵的損耗低於碳化矽。

應用場景的進一步比較表明，在高功率和高電壓應用場景中，SiC展現出良好的成熟度和成本效益；而在100V至600V的低壓和中壓應用中，氮化鎵可以實現更高的成本效益。從結構來看，氮化鎵是橫向結構（例如JFET），難以達到SiC MOSFET（垂直結構）的高壓能力。

氮化鎵更適用於本質上處於常關狀態的開關，並且是迄今為止所有矽晶體管的後繼技術。此外，從整體系統角度來看，氮化鎵的優點在於它可以使拓樸結構更加緊湊。

英飛凌開發的CoolGaN系列產品是一種氮化鎵增強型高電子遷移率電晶體（E-HEMT），非常適合在高壓下進行高頻開關操作。它可以實現更薄的設計，進一步提高功率密度，從而進一步提升轉換效率並降低整個系統的成本。

安森美半導體策略行銷總監 Yong Ang 進一步解釋說，氮化鎵元件的寄生電容比矽元件低，因此可以降低與閘極電荷 Qg 相關的開關損耗，並將開關頻率提高到數百 kHz 到 MHz 的範圍內，而不會降低能源效率。

與矽功率元件不同，氮化鎵元件沒有體二極體。氮化鋁鎵（AlGaN）/氮化鎵界面上的二維電子氣（2DEG）可以反向導電，但不存在反向恢復電荷（QRR），因此非常適合硬開關應用。

由於氮化鎵對過電壓非常敏感，且其雪崩能力遠遜於矽，因此特別適用於半橋拓撲結構，其中漏源電壓被箝位至電源軌電壓。氮化鎵在零電壓開關（ZVS）拓樸結構中具有極大的應用前景，例如諧振LLC電路、主動箝位反激電路和硬開關圖騰柱PFC電路。

▲主流射頻元件技術在不同應用領域的發展路徑

全球氮化鎵射頻元件

產業鏈競爭格局

目前，射頻元件的主要市場如下：行動電話和通訊模組市場，約佔 80%；WIFI 路由器市場，約佔 9%；通訊基地台市場，約佔 9%；NB-IoT 市場，約佔 2%。

▌海外氮化鎵射頻元件產業鏈中的關鍵企業及產品進展  

氮化鎵（GaN）微波射頻元件產品的推出速度顯著加快。儘管微波射頻領域目前備受關注，但由於技術水平高、專利壁壘高，與電力電子和光電子領域相比，該領域的企業數量相對較少，但大多數企業都擁有強大的科研實力和市場營運能力。氮化鎵微波射頻元件的商業化供應正在快速成長。

Qorvo產品的工作頻率範圍最大，而Skyworks產品的工作頻率範圍較小。 Qorvo、CREE和MACOM三家公司73%的產品輸出功率集中在10W至100W之間，最大功率可達1500W（工作頻率為1.0-1.1GHz，由Qorvo生產）。其主要製程採用GaN/SiC GaN路線。

此外，一些公司也提供氮化鎵射頻模組產品。目前，有4家公司銷售氮化鎵射頻放大器。其中，Qorvo的產品工作頻率範圍最廣，最高工作頻率可達31GHz。 Skyworks的產品工作頻率較低，主要在0.05-1.218GHz之間。

Qorvo射頻放大器擁有最豐富的產品線。在我國工業與資訊化部公佈的5G兩大工作頻段（3.3-3.6GHz和4.8-5GHz）中，Qorvo推出的射頻放大器產品種類最多，最高功率分別達100W和80W（Qorvo 1月推出的4.8-5GHz產品最高功率為60W），ADI 4.8-5GHz產品的最高功率也提升至50W（先前產品最高功率低於40W），其他產品的功率大多低於50W。

▌中國大陸氮化鎵射頻元件產業鏈重點企業及產品進展  

出於對我國技術發展速度的擔憂，以及遏制我國新材料技術發展的想法，歐美國家對我國第三代半導體材料實施了幾乎完全的技術和材料封鎖。

在此背景下，我國科研機構和企業以自主創新為基礎，在氮化鎵微波射頻領域取得了顯著成果，並在軍工國防和民用通信領域取得了突破性進展，創建了中電科技十三、中電科技五十五、中興通訊、大唐移動等重點企業，以及中國移動、中國聯通等主要客戶。

蘇州能迅推出了頻率高達 6GHz、工作電壓 48V、設計功率從 10W 到 320W 的射頻功率電晶體。

在行動通訊領域，蘇州能迅已能提供適用於LTE、4G、5G等行動通訊應用的高效能高增益射頻功率放大管。其工作頻率範圍為1.8-3.8GHz，工作電壓為48V，設計功率範圍為130W-390W，平均功率為16W-55W。

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