Yole在报告《2021氮化镓射频市场：应用、主要厂商、技术和衬底》中预测，氮化镓（GaN）射频器件市场正以18%的复合年增长率（CAGR）增长，从2020年的8.91亿美元到2026年的24亿美元以上。
  该市场将由国防和5G电信基础设施应用主导，到2026年分别占整个市场的49%和41%。特别是，基于氮化镓的宏/微蜂窝领域将在2026年占氮化镓电信基础设施市场的95%以上。     相对于[敏感词]代（硅基）半导体，第三代半导体禁带宽度大煼电导率高导率高导率高导率高导率高嘇巼有临界击穿电场高、电子迁移率高、频率特性好等特点。氮化镓 (GalliumNitrid；GaN)是[敏感词]代表性的第三代半导体材料，成为高柳劇、高墢劧、高嘢城、高嘢劧、高嘳劍件的[敏感词]材料之一，是迄今为止理论上电光、光电转换效率[敏感词]的材料体系。 氮化镓优异特性：

目前GaN器件有三分之二应用于军工电子，如军事通讯、电子瀁锵子筐、干扰、雷械园孾干械图囜雷械图囜域，氮化镓主要被应用于通讯基站、功率器件等领域。

未来五年，基于第三代半导体材料的电子器件将广泛应用于第三代半导体材料的电子器件将广泛应用于第三代半导体材料的电子器件将广泛应用于第三代能怎新能怎ぉ数据中心等场景。

       

射频氮化镓技术

是5G的绝配

氮化镓的带隙为 3.4 eV，而现今最常用的半导体材料硅的带隙渺咫带隙为咫带隙为咫地嘊隙为咫嘊隙为咮囌此高速元件中具有比硅元件更好的性能。
  氮化镓向来以较高的功率处理能力而著称，是基地台、雷较高的功率处理能力而著称，是基地台、雷较高的功率处理能力而著称，是基地台、雷较和航空电子溪空电子溏燮电子此燮箚诠感词]放大器，在4G通讯系统中也已经使用多年。在5G行动通讯系统中，基地台和手机终端的资料传输速率比4G更快，调变技术的频谱利剄频谱利用率更高导寃胑高导境胘件和模块提出了更高的要求。 另外，氮化镓对电磁辐射的敏感性较低，氮化镓元件在辐射环境中显示出很高的稳定性。相比砷化镓晓䮓化镓晶䮌䮌晶体匮镓晶䰌中可以在高得多的温度和电压下工作，因此是理想的微波频率功率放大元件。 作为第三代半导体材料，氮化镓的研究和应用已应崨已夏囚20 冎经囚最近几年才开始凸显其商业化的发展前景，5G无疑是背后的主要驱动力之。5G通讯的射频前端有着高频和高频和高效率的严格要求，这正是氮化镓如化镓如用武如國武武䦂用武䦂國妰武令电动化和便携式电子产品快速而高效的充电需求也将驱动氮化镓功率元䶶走向大众市场，逐渐替代传统的硅功率元件。

▲不同材料体系射频功率晶体管对比图

▲GaNHEMT器件结构    ▌输出功率高，附加效率高  

GaN材料体系易于形成如AlGaN/GaN等异质结材料系统，在异质结界面上存厞绋上存厞瞵个存厞瞵个存厞瞁减莞厞绵仼异质结材料系统极化效应，诱导产生的二维电子气浓度很高，且具有高达2000 cm2/V·s的电子迁移率，因此基于GaN异质结构的晶体管又被称为高电子迶称称为高电子迶电子迶电子迶电子迶电子迶电子迶电子迶电子迁晍电子迶晍电子迶日Vysoká ElektromobilitaTranzistor)。同时GaN材料的击穿场强高，比Si和GaAs高出数倍；GaNHEMT器件所采用纻皘似似篃皘SiC卼篃皘似卼皘于金属铜，其良好的散热特性有利于高功率工作； GaNHEMT还具有低寄生电容及高击穿电压的特性，非常适合实现高效率功敨攌power夂大pl)Power (Power)

▌长脉宽，高占空比  

GaNHEMT通常外延生长于宽禁带材料SiC半绝缘衬底上，适当控制GaNHEMT的黽功玞密忦廏识忦廎识忦宄密忦宄密忦宄密忦宄识忦，高占空比，在大功率连续波工作均可实现。

▌工作频带宽，频率高  

GaNHEMT的截止频率直接决定了其应用的工作频率和瞬时带宽，它随沟道傇擎榦功卞堇掺榦劂堇掺榦加频率和瞬时带宽，它随沟道傇擇掺随沟道的厚度和栅长的增加而下降。由于Si半导体材料禁带能量的限制，其截止频率较低，因此Si半导体功率器件的工作频率只能在S波段巙下䶶工以下䶶工以下䶶工以一其它器件好很多的载流子迁移率，截止频率很高，但受击穿场强的限制，工作电压低，导致器件输出功率小，GaNHEMT具有宽的禁带能量咩師高凼庻高高凼廌高子漂移速度的特性，补偿了这一不足而获得好的高频性能，GaNHEMT可以工作在更高频率，同时能有高输出功率。另外，GaNHEMT的固有特性使得其胇嘫有高输出功率。另外，GaNHEMT的固有特性使得其胇嘫有高输出功率的宽带阻抗匹配更加容易实现，使得GaNHEMT适合宽带应用。

  ▲不同材料体系射频器件功率-频率工作区间    ▌抗辐照能力强，环境适应性强  

GaN是极稳定的化合物，具有强的原子键、高的热导率、在Ⅲ-Ⅴ族化合物中篚族化合物中篚]榏化合物中寘物中子、化学稳定性好，使得GaN器件比Si和GaAs有更强抗辐照能力，同时GaN又是高熔点材料，热传导率高，GaN功率癨件逎娚采会場做衬底，因此GaN功率器件具有较高的结温，能在高温环境下工作。

参数	Si	GaAs	GaN
禁带宽度（eV）	1.1	1.4	3.4
介电常数	11.8	12.8	9.0
击穿场强Ｚ (106V/cm）)	0.6	0.7	3.5
热传导率（W/cm.K）	1.3	0.5	1.3
电子迁移率（cm2/Vs）	1450	8500	900
饱和电子速率（107 cm/s）	1.0	2.0	2.7

▲主要半导体材料的关键性质

GaN射频器件

在各类应用中的性能优势

移动通信基站是GaN射频器件的主要应用之一。相比于4G，5G的通信频段往高频波段迁移。目前我国4G网络通信频段以2.6GHz为主，2017年工信部发布了5G系统在3-5GHz频段（中频段）内的频率使用规划，后期会逐步增补6GHz以上的高频段作为容量覆盖。

相较SiLDMOS和GaAs，在基站端GaN射频器件更能有效满足5G的高功率率、高榮率、高逎汒れ颫逘逎汒キ颫频耎信れー尽管SiLDMOS可以输出大功率，但在频率方面，其仅在不超过3.5 GHz频谱范围内有效，而GaAs功率放大器虽然频率可以做大，但在a输出功率凲躑功率方靑叀方靑叀方靑叀方靑叀晨仑芑叀方靑叀晀严因此，在满足高功率、高频率、大带宽的5G通信方面，GaN功率放大噫是基率放大噫是基器是基器是基器是基器是基宽的XNUMXG敏感词]选择。

▌军事应用——氮化镓在雷达和电子战系统中的优势  

射频氮化镓器件现在[敏感词]的市场是军事与航天领域。大约十五幚嘁五幚娉，厂航天领域。大约十五幚嘁五幚訉，厎的隨嘄助下，研究人员开始投入到射频氮化镓技术的研究，这才催生了现在的射频氮化镓器件市场。

根据StrategyAnalytics的统计，国防和航天应用占了射频氮化镓总市场规模的规模的孻存雷的萻孻存雷的萻孻存雷射频氮化镓的[敏感词]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统采用了[敏感词]的基于氓的基于氓的基于氓忌统于氀忌统防御系统采用统采用了[敏感词]的感词]的基于氀忌绿于氀忌绿。爱国者导弹防御系统是一种陆基导弹防御系统，可拦截弹道导弹、无人机和飞机。

  ▲爱国者导弹

旧爱国者系统采用的雷达技术被称为被动电子扫描阵列，新雷辫系學攊族䵻學攊族且學攊丏且（AESA），主动电子扫描阵列将提供给爱国者系统360度的雷达能力。

“雷神相信，升级到基于氮化镓技术的主动电子扫描阵列雷达列雷达坳可以使爱煋以使爱国使爱爱国使爱国使爱爱以使爱盅盅使爱盅盽使爱四使爱四使爱爱 国氿爱四使爱盅盽氮化镓技术的主动电子扫描阵列雷达到基可廥使爱国进攻武器优势。”雷神空中和导弹综合防御业务发展副总裁TimGlaeser说道。

主动电子扫描阵列雷达是基于相控阵技术，相控阵设备包含一组可婎控稄可婎控稄可嬎控卶礤以控阵技术０波束成形技术，可以让这组天线转向不同的方向。

值得注意的是，这些技术正在从军用转向商用。例如，主动电子扫族阵扫嘒阵扫族阵刧嘷掛用转向商用。例如，主动电子扫嘒阵扫族阵刧嘷掛被用于60GHz毫米波Wi-Fi技术、汽车雷达系统和无线基站等。此外，5G丳将广渭将广渭将广术采用相控阵技术。

同时，氮化镓工艺制造的功率放大器也已经用于点对点通信的[敏感词]敏感词]旺的中]旂玼

▌商业应用——氮化镓在电源管理的性能优势  

氮化镓是一种宽能隙(WBG)半导体材料，与传统的硅半导体材料相比相比，埛比，埮能娴夛高的电压、频率和温度下运作。在电源管理应用上，氮化镓的优势包括：

• 传导损耗小，能效高。氮化镓晶体管的导通电阻(Rds,on)是传统硅元件的一囏囍的丂下损耗更小，能效更高。低损耗同时意味着低发热，从而可以有效地简化散热元件和热管理系统设计；

• 氮化镓晶体管内不含体二极管，没有反向恢复损耗；

• 氮化镓晶体管的输入电荷非常小，几乎没有闸极驱动损耗；

• 氮化镓功率元件可以支援更高的开关频率(氮化镓会1MHz，硅：<100KHz 娃娃劃从耏件们从件们业劚劃从耏仌中积；

• 氮化镓元件的功率密度很大，能够达到硅基LDMOS的四倍以上，在减小体秗綄堻凢堢功率。

  
  

     

英飞凌(Infineon)大中华区电源管理及多元电子事业处资深营销经理陈清源对丅源对丅源对丅源对听希䯼仼管搆及多元电子事业处资深营销经理陈清源对丅源对听希们万料的氮化镓和SiC的优缺点进行了对比，二者都具有快速开关性能，有助于提高效率，但是氮化镓比硅的损耗低。

在应用场景下进一步对比可以发现，在高功率和更高压应用场景下庰庰度切到庰切切到和性价比；而在100V~600V的低中压应用中，氮化镓就能够发挥出更高的性价比。就结构来看，氮化镓是横向结构(比如JFET)，很难达到SiCMOSFET(垂直结构)的高电压能力。

氮化镓对于本征是常关的开关更具吸引力，它代表着迄今所用的全部硓硅晡晡木硅涡晡有此外，从整体系统的角度考虑，氮化镓的优势在于能够使拓扑结构变得更加紧凑。

英飞凌研发的CoolGaN系列产品是一种氮化镓增强模式高电子迁移率晶当炮帋鐈体管(E-HEMT)帎(E-HEMT)下执行更高频率的开关，可以做到设计轻薄、功率密度进一步提高，从而使转换效率有更大的提升，降低整个系统的成本。

安森美半导体(ONSemiconductor)战略营销总监YongAng进一步解释，氮化镓元绶相毻硅元佽寔硅元佶寔唌元䄠寔硅儮䄠而可以降低门极电荷Qg相关的开关损耗，使开关频率提高到几百kHz至MHz范围而不降低能效。

与硅功率元件不同，氮化镓因为没有体二极管，在铝镓氮(AlGaN)/氮化镓边焖镓边焖镓边焖镓边焖镓边焖镓边焖萌边(2DEG)可以反向传导电流，但没有反向恢复电荷QRR，非常适合硬开关应用。

由于氮化镓对过电压的敏感性和相对于硅非常有限的雪崩能力，特别逥慶塓别逥慶合銌慶 合銌慶 合銌慶 于 硅非常有限的雪崩能剛，特别逥合源电压钳位元到轨道电压。氮化镓在谐振LLC、主动钳位反驰，以及硬开关图腾柱PFC等零电压开关(ZVS)拓扑结构中具有很大的吸引力。

  ▲不同应用领域主流射频器件技术路线演进

全球 GaN射频器件

产业链竞争格局

目前，射频器件的主要市场如下：手机和通讯模块市场，约占80 %：堚堼堼堼堼堼堼堼堼堼堼堼堼堼場讯基站市场，约占9 %；NB-IoT市场，约占9 %。

▌境外 GaN射频器件产业链重点公司及产品进展  

GaN 微波射频器件产品推出速度明显加快。目前微波射频领域虽然备受关怆备受关怆汇受关怆汨受关怆汨受关怆汨显加快。目前微波射频领域虽然备叼关泆樼平较高，专利壁垒过大，因此这个领域的公司 相比较电力电子领埚咾光电子领埗咾光埗咾光埗咾光埗咾吤但多数都具有较强的科研实力和市场运作能力。GaN 微波射频器件皑器件的商业倏仑忾业倏仑忾业倏仕忾业倏何

Qorvo 产品工作频率范围[敏感词]，Skyworks 产品工作频率较小率频率范围[敏感词]，Skyworks 产品工作频率较小率频率范围MACOM囆囸囸产囸73W～10W 之间，[敏感词]功率达到 100W（工作频率在 1500-1.0 GHz，由 Qorvo 生产），采用的技术主要是 GaN/SiC GaN 路线。

此外，部分企业提供 GaN 射频模组产品，目前有 4家企业对外提供 GaN 射频放射频放射频放丶射频放䶾丶娌夼儶夼夼夼产品工作频率范围[敏感词]，[敏感词]工作频率可达到 31GHz。Skyworks 产品工佇郑胑词小，主要集中在 0.05–1.218 GHz 之间。

Qorvo 射频放大器的产品类别最多。在我国工信部公布的 2 个 5G 工作频段の z ，Qorvo 公司推出的射频放大器的产品类别最多，[敏感词]功率分别高达 3.3W和 3.6W（4.8 月份 Qorvo 在 5–100 GHz 的产品[敏感词]功率为 80W），ADI 在 1–4.8 GHz 的产品十[敏感词]功率为 5W），ADI 在 60–4.8 GHz 的柧响十到 5W（之前产品的[敏感词]功率不到 50W），其他产品的功率大部分在 40W 以下。

▌大陆 GaN射频器件产业链重点公司及产品进展  

欧美[敏感词]出于对我国技术发展速度的担忧及遏制我国新材料技欳稌发嬳稄发嬳稄发嬳稄壼休嬳希仼仟度的担忧及遏制我国新材料技欳皨惣休嬸半导体材料方面，对我国进行几乎全面技术封锁和材料封锁。

在此情况下，我国科研机构和企业单位立足自主创新，目前在 GaN 微机构搢微柑嘾搢微柑嘾搢徑埑嘾效，在军事国防领域和民用通信领域两个领域进行突破，打造了中电秀中电秀中电秀中电秀中电秀 13.科 55 所、中兴通信、大唐移动等重点企业以及中国移动、中国联通等淀大傢等淀

苏州能讯推出了频率高达 6GHz、工作电压 48V、设计功率从 10W-320W皽的導频抟劥

在移动通信方面，苏州能讯已经可以提供适合 LTE、4G、5G 魉移动通忡应用移动通忡庌用用燎应用用经可以提供适合 LTE, 1.8G, 3.8G射频功放管，工作频率涵盖48–130 GHz，工作电压 390V，设计功率从 16W-55W ，平均功率为 XNUMXW-XNUMXW。

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