GaN 和 GaAs：5G 带来蓬勃发展的商机

2020年11月2日

Ezgi Dogmus， 博士， 电源和无线部门， Yole 发展

作为成熟硅世界中的新人，氮化镓无疑是射频行业的突破性技术之一。长期以来，GaN一直被认为是一种针对军事应用的高端、高成本的技术，于2010年代中期进入华为第四代（4G）长期演进（LTE）远程无线电头（RRH）基站。此后，GaN RF 器件由于功率密度高、外形更小，在商业电信基础设施应用中大量采用市场。在低于 6 GHz 5G 频段部署更高频率后，GaN 在更高的带宽和更高的功率密度要求方面展示了超越现有基于硅的 LMDOS 技术的属性。随着新兴市场的机遇，业界提出了以下问题：随着5G的到来，GaN RF市场的前景如何？哪种技术，GaN-0硅碳化物（SiC）或硅上GaN，会更成功地扩大其市场？哪些商业模式将主导市场？鉴于正变得日益敏感的中美紧张关系，GaN RF业务将如何发展？

基于GaN的军事：更快，更好，更强！

国家安全一直是任何国家的最高优先事项之一。因此，国家预算的很大一部分用于军事开支。在寻求更快、更好、更强的防御和攻击策略时，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，或相反干扰能力，以在冲突中创造优势，对军事组织至关重要。几十年来，新一代电子系统的投资和开发导致了固态技术的部署，特别是在军事雷达、电子战和军事通信领域。在军事雷达领域，主动电子扫描阵列（AESA） 系统取代了旧的真空管，具有多个优点，例如更大的检测区域、更快的扫描速率和更高的空间分辨率，以及可扩展性和更容易配置收发器。在这种情况下，在 AESA 技术中使用 GaN-on-SiC 有助于减少占用空间和重量，同时提高系统效率。作为 LDMOS 和 GaA 的替代方案，GaN 实现了高功率密度和高功率效率，具有高导热性，同时适合大小受限的空间。

近年来，在军事雷达中的GaN部署在几个国家的运行时间长、预算高的项目中非常受欢迎。继美国（在GaN雷达实施方面处于领先地位）之后，欧洲、韩国和中国也建立了许多项目，以利用GaN系统的高性能、可扩展性和小型。

因此，用于军事用途的GaN射频设备预计将迅速增加，到2025年价值预计将超过10亿美元（见图)1）[1]。

根据Yle Dévelo发展（Yole）的说法，AESA雷达中的GaN设备数量之多，为军事代厂和承包商提供了一个有趣的市场机会。虽然高成本仍被视为GaN的主要瓶颈，但国防行业预计，随着GaN在商业市场，尤其是4G和5G电信基础设施领域采用GaN，成本将降低。

5G 电信基础设施：GaN 正在制定规则

在动态的 5G 基础设施市场，不断争夺更高效的天线类型。从 RRH 切换到有源天线系统 （AAS） 的交换技术将使射频前端从低数量的大功率射频线路转换为大量低功耗 RF 线路。同时，在低于 6 GHz 和毫米波系统部署更高频率，推动 OEM 寻找带宽更大、效率更高、热管理更好的新天线技术平台。在此背景下，GaN 技术已成为射频电源应用中 LDMOS 和 GaA 的严重竞争对手，显示出持续的性能和可靠性改进，从而有可能降低系统成本。在进入 4G LTE 电信基础设施市场后，GaN-on-SiC 有望在 5G 次 6 GHz RRH 实施中保持强势地位。然而，在 5G 子 6 GHz AAS 的新兴部分 - 大规模多输入和多输出 （MIMO） 部署 - GaN 和 LDMOS 之间的竞争仍在继续。虽然经济高效的 LDMOS 技术在低于 6 GHz 的高频性能方面取得了显著进展，但 GaN-on-SiC 可提供出色的带宽、PAE 和功率输出。事实上，在中国联通和电信合并要求>150 MHz带宽后，GAN技术被选定为 AAS。5G 电信基础设施是一个非常充满活力的市场，需要 OEM 做出重大战略决策，这可能为 GaN 技术平台创造新的机遇。

关于小细胞，他们最初开始进入毫米波系统进入市场，以满足人口稠密的城市地区的需求。这些系统有望快速增长，特别是由于其体积小，并且由于其短距离而需要多个设备。在这个新兴细分市场中，GaN-on-Si 和 GaN-on-Si 解决方案与 SiGe、SOI、CMOS 和 GaA 一起被考虑在潜在的候选者中。GaN 行业已经开始推出针对这些应用的产品，采用创新的集成技术。

根据 System Plus 咨询分析，Qorvo 是首批提供针对毫米波段的集成 GaN-on-C 解决方案的公司之一。采用前端模块方法，Qorvo 的产品包括采用 0.15 微米 GaN on-SiC 技术的多功能 GaN MIC，目标工作频率在 37-40.5 GHz 之间（参见图 2）[2])

集成能力确实是射频行业的关键资产。节省空间和减少射频损耗是设备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，可实现功率放大器 （PA）、低噪声放大器 （LNA） 以及 SiC 和 Si 基板上的开关技术的单片和高效集成。在此背景下，GaN-on-Si 技术是 GaN-on-Si 技术的潜在挑战者，可以承诺具有低成本和大直径硅基板的具有成本效益的集成解决方案，以及可扩展的基板供应链。截至第 3-20 季度，尽管电信基础设施的 GaN on-Si 市场量仍然很小，但电信设备供应商密切关注和评估低于 6 GHz 和毫米波频段的技术发展情况。

尽管如此，GaN RF 业务不仅依赖于 OEM 技术选择，还依赖于地缘政治环境。然而，继美国在2019年第二季度对华为实施制裁后，2019年出现了短缺的局面，主要发生在基于GaN的电信基础设施市场。因此，必须观察各种战略伙伴关系和投资在来年如何发展。

5g 手机爸爸： GaAs 还是 GaN？

5G 电信基础设施市场并不是 GaN-on-silicon 技术平台的唯一机会。在过去的几年中，一些公司一直在为5G手机市场认真开发PA技术。在 OEM 希望为手机射频前端节省空间的愿望的推动下，GaN 可带来高功率密度和高效率优势，并彻底改变射频行业。作为一名新人，GaN 面临着来自其 III-V 表亲 GaAs 在 Sub-6 GHz 和 mmWave 域中的强烈竞争。作为 3G 和 4G 手机 PA 的主要构建基块，GaAs 将继续在低于 6 GHz 的手机中大量部署，因为它满足对线性性和功率的严格要求。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PA总尺寸会增加。对于移动连接，趋势正在转向基于基于 SiGe 的芯片上系统 （SoC） 解决方案，但 GaAs PA 由于性能提高而仍然保留的高端手机除外。但是，新发布的 Wi-Fi 6E 标准将采用 6 GHz，其中 SiGe 性能将受到限制，并且 GaAs 采用良好。

综上关于Yole的复合半导体监测服务第3-2020季度更新的预测，大批量手机市场推动的GaAs RF芯片市场预计将在2025年增长到36亿美元以上。这包括关于RF GaN和RF GaAs市场的季度更新，并概述了低于6GHz和毫米波RFFE架构的可能技术平台之间的竞争（参见图3）。

然而，与GaN RF市场类似，即使是成熟的GaAs RF行业也感受到了中美贸易紧张和大流行爆发的影响，在2019-2020年，这在全球智能手机市场产生了不同的动态。

综上关于RF GaN业务前景光明但并不直截了当。面对5G基础设施和RFFE中成熟的硅和GaAs技术平台的"移动目标"，GaN行业正在不断发展，并赢得新的战斗。展望未来，GaN在大批量商业市场确实拥有令人振奋的商机。现在的问题是，哪个OEM将塑造其未来，何时？

System Plus 咨询和 Yole 将继续进行调查，并邀请您全年关注他们，并完成更多的分析、文章和访谈。

生物：

作为技术和市场分析师，复合半导体公司，Ezgi Dogmus 博士是Yole Dévelo 发展 （Yole） 电力和无线部门的成员。她每天为该部门活动的发展做出贡献，专门收集市场和技术报告以及定制咨询项目。在 Yole 之前，Ezgi 深入参与 IEMN（法国里尔）基于 GaN 的解决方案的开发。Ezgi还参加了许多国际会议，并撰写或合著了12篇论文。从奥格斯堡大学（德国）和格勒诺布尔理工学院（法国）毕业后，Ezgi 在 IEMN（法国）获得微电子博士学位。

本文由Yle开发公司（Yole）的技术和市场分析师Ahmed Ben Slimane和系统加咨询半导体设备部总监埃琳娜·巴巴里尼合作编写。