Yole在報告《2021氮化鎵射頻市場：應用、主要廠商、技術和襯底》中預測，氮化鎵（GaN）射頻器件市場正以18%的復合年增長率（CAGR）增長，從2020年的8.91億美元到2026年的24億美元以上。
該市場將由國防和5G電信基礎設施應用主導，到2026年分別占整個市場的49%和41%。特別是，基于氮化鎵的宏/微蜂窩領域將在2026年占氮化鎵電信基礎設施市場的95%以上。
相對于第一代（硅基）半導體，第三代半導體禁帶寬度大，電導率高、熱導率高，其具有臨界擊穿電場高、電子遷移率高、頻率特性好等特點。
氮化鎵(GalliumNitride；GaN)是最具代表性的第三代半導體材料，成為高溫、高頻、大功率微波器件的首選材料之一，是迄今為止理論上電光、光電轉換效率最高的材料體系。
氮化鎵優異特性：
目前GaN器件有三分之二應用于軍工電子，如軍事通訊、電子、干擾、雷達等領域；在民用領域，氮化鎵主要被應用于通訊基站、功率器件等領域。
未來五年，基于第三代半導體材料的電子器件將廣泛應用于5G基站、新能源汽車、特高壓、數據中心等場景。
射頻氮化鎵技術是5G的絕配
氮化鎵的帶隙為3.4eV，而現今最常用的半導體材料硅的帶隙為1.12eV，因此氮化鎵在高功率和高速元件中具有比硅元件更好的性能。
氮化鎵向來以較高的功率處理能力而著稱，是基地臺、雷達和航空電子等無線通訊設備的首選放大器，在4G通訊系統中也已經使用多年。在5G行動通訊系統中，基地臺和手機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，這對射頻前端元件和模塊提出了更高的要求。
另外，氮化鎵對電磁輻射的敏感性較低，氮化鎵元件在輻射環境中顯示出很高的穩定性。相比砷化鎵(GaAs)晶體管，氮化鎵晶體管可以在高得多的溫度和電壓下工作，因此是理想的微波頻率功率放大元件。
作為第三代半導體材料，氮化鎵的研究和應用已經有20多年的歷史，但直到最近幾年才開始凸顯其商業化的發展前景，5G無疑是背后的主要驅動力之一。5G通訊的射頻前端有著高頻和高效率的嚴格要求，這正是氮化鎵的用武之地。另外，汽車電動化和便攜式電子產品快速而高效的充電需求也將驅動氮化鎵功率元件走向大眾市場，逐漸替代傳統的硅功率元件。
▲不同材料體系射頻功率晶體管對比圖
▲GaNHEMT器件結構
▌輸出功率高，附加效率高
GaN材料體系易于形成如AlGaN/GaN等異質結材料系統，在異質結界面上存在極強的自發極化與壓電極化效應，誘導產生的二維電子氣濃度很高，且具有高達2000cm2/V·s的電子遷移率，因此基于GaN異質結構的晶體管又被稱為高電子遷移率晶體管，即GaNHEMT(HighElectronMobilityTransistor)。同時GaN材料的擊穿場強高，比Si和GaAs高出數倍；GaNHEMT器件所采用的SiC半絕緣襯底熱導率優于金屬銅，其良好的散熱特性有利于高功率工作；GaNHEMT還具有低寄生電容及高擊穿電壓的特性，非常適合實現高效率功效放大器(PA，PowerAmplifier)。
▌長脈寬，高占空比
GaNHEMT通常外延生長于寬禁帶材料SiC半絕緣襯底上，適當控制GaNHEMT的功率密度可輕松實現長脈寬，高占空比，在大功率連續波工作均可實現。
▌工作頻帶寬，頻率高
GaNHEMT的截止頻率直接決定了其應用的工作頻率和瞬時帶寬，它隨溝道的摻雜濃度增加而上升，隨溝道的厚度和柵長的增加而下降。由于Si半導體材料禁帶能量的限制，其截止頻率較低，因此Si半導體功率器件的工作頻率只能在S波段以下工作。GaAs器件具有比其它器件好很多的載流子遷移率，截止頻率很高，但受擊穿場強的限制，工作電壓低，導致器件輸出功率小，GaNHEMT具有寬的禁帶能量、高擊穿場強和高飽和電子漂移速度的特性，補償了這一不足而獲得好的高頻性能，GaNHEMT可以工作在更高頻率，同時能有高輸出功率。另外，GaNHEMT的固有特性使得其輸入輸出阻抗較高，電路的寬帶阻抗匹配更加容易實現，使得GaNHEMT適合寬帶應用。
▲不同材料體系射頻器件功率-頻率工作區間
▌抗輻照能力強，環境適應性強
GaN是極穩定的化合物，具有強的原子鍵、高的熱導率、在Ⅲ-Ⅴ族化合物中電離度是最高的、化學穩定性好，使得GaN器件比Si和GaAs有更強抗輻照能力，同時GaN又是高熔點材料，熱傳導率高，GaN功率器件通常采用熱傳導率更優的SiC做襯底，因此GaN功率器件具有較高的結溫，能在高溫環境下工作。
▲主要半導體材料的關鍵性質
GaN射頻器件在各類應用中的性能優勢
移動通信基站是GaN射頻器件的主要應用之一。相比于4G，5G的通信頻段往高頻波段遷移。目前我國4G網絡通信頻段以2.6GHz為主，2017年工信部發布了5G系統在3-5GHz頻段（中頻段）內的頻率使用規劃，后期會逐步增補6GHz以上的高頻段作為容量覆蓋。
相較SiLDMOS和GaAs，在基站端GaN射頻器件更能有效滿足5G的高功率、高通信頻段和高效率等要求。盡管SiLDMOS可以輸出大功率，但在頻率方面，其僅在不超過3.5GHz頻譜范圍內有效，而GaAs功率放大器雖然頻率可以做大，但在輸出功率方面又顯著遜色于GaN器件，因此，在滿足高功率、高頻率、大帶寬的5G通信方面，GaN功率放大器是基站端的最佳選擇。
▌軍事應用——氮化鎵在雷達和電子戰系統中的優勢
射頻氮化鎵器件現在最大的市場是軍事與航天領域。大約十五年前，在美國國防部的資助下，研究人員開始投入到射頻氮化鎵技術的研究，這才催生了現在的射頻氮化鎵器件市場。
根據StrategyAnalytics的統計，國防和航天應用占了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的最大應用市場。
2017年3月，雷神公司宣布其愛國者導彈防御系統采用了最新的基于氮化鎵技術的天線系統。愛國者導彈防御系統是一種陸基導彈防御系統，可攔截彈道導彈、無人機和飛機。
▲愛國者導彈
舊愛國者系統采用的雷達技術被稱為被動電子掃描陣列，新雷達系統改為主動電子掃描陣列（AESA），主動電子掃描陣列將提供給愛國者系統360度的雷達能力。
“雷神相信，升級到基于氮化鎵技術的主動電子掃描陣列雷達，可以使愛國者系統保持對新型進攻武器優勢。”雷神空中和導彈綜合防御業務發展副總裁TimGlaeser說道。
主動電子掃描陣列雷達是基于相控陣技術，相控陣設備包含一組可以單獨控制的天線，利用波束成形技術，可以讓這組天線轉向不同的方向。
值得注意的是，這些技術正在從軍用轉向商用。例如，主動電子掃描陣列和相控陣技術已經被用于60GHz毫米波Wi-Fi技術、汽車雷達系統和無線基站等。此外，5G中將廣泛采用相控陣技術。
同時，氮化鎵工藝制造的功率放大器也已經用于點對點通信的軍用手持式無線電中。
▌商業應用——氮化鎵在電源管理的性能優勢
氮化鎵是一種寬能隙(WBG)半導體材料，與傳統的硅半導體材料相比，它能夠讓功率元件在更高的電壓、頻率和溫度下運作。在電源管理應用上，氮化鎵的優勢包括：
傳導損耗小，能效高。氮化鎵晶體管的導通電阻(Rds,on)是傳統硅元件的一半，在相同輸出電流下損耗更小，能效更高。低損耗同時意味著低發熱，從而可以有效地簡化散熱元件和熱管理系統設計；
氮化鎵晶體管內不含體二極管，沒有反向恢復損耗；
氮化鎵晶體管的輸入電荷非常小，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，硅：<100KHz)，從而減小被動元件的體積；
氮化鎵元件的功率密度很大，能夠達到硅基LDMOS的四倍以上，在減小體積的同時可以增加輸出功率。
英飛凌(Infineon)大中華區電源管理及多元電子事業處資深營銷經理陳清源對同為第三代半導體材料的氮化鎵和SiC的優缺點進行了對比，二者都具有快速開關性能，有助于提高效率，但是氮化鎵比硅的損耗低。
在應用場景下進一步對比可以發現，在高功率和更高壓應用場景下，SiC體現出很好的成熟度和性價比；而在100V~600V的低中壓應用中，氮化鎵就能夠發揮出更高的性價比。就結構來看，氮化鎵是橫向結構(比如JFET)，很難達到SiCMOSFET(垂直結構)的高電壓能力。
氮化鎵對于本征是常關的開關更具吸引力，它代表著迄今所用的全部硅晶體管的后續技術。此外，從整體系統的角度考慮，氮化鎵的優勢在于能夠使拓撲結構變得更加緊湊。
英飛凌研發的CoolGaN系列產品是一種氮化鎵增強模式高電子遷移率晶體管(E-HEMT)，非常適合高壓下執行更高頻率的開關，可以做到設計輕薄、功率密度進一步提高，從而使轉換效率有更大的提升，降低整個系統的成本。
安森美半導體(ONSemiconductor)戰略營銷總監YongAng進一步解釋，氮化鎵元件相比硅元件的寄生電容低，因而可以降低門極電荷Qg相關的開關損耗，使開關頻率提高到幾百kHz至MHz范圍，而不降低能效。
與硅功率元件不同，氮化鎵因為沒有體二極管，在鋁鎵氮(AlGaN)/氮化鎵邊界表面的二維電子氣(2DEG)可以反向傳導電流，但沒有反向恢復電荷QRR，非常適合硬開關應用。
由于氮化鎵對過電壓的敏感性和相對于硅非常有限的雪崩能力，特別適合半橋拓撲，其中漏源電壓鉗位元到軌道電壓。氮化鎵在諧振LLC、主動鉗位反馳，以及硬開關圖騰柱PFC等零電壓開關(ZVS)拓撲結構中具有很大的吸引力。
▲不同應用領域主流射頻器件技術路線演進
全球 GaN射頻器件產業鏈競爭格局
目前，射頻器件的主要市場如下：手機和通訊模塊市場，約占80%；WIFI路由器市場，約占9%；通訊基站市場，約占9%；NB-IoT市場，約占2%。
▌境外 GaN射頻器件產業鏈重點公司及產品進展
GaN 微波射頻器件產品推出速度明顯加快。目前微波射頻領域雖然備受關注，但是由于技術水平較高，專利壁壘過大，因此這個領域的公司相比較電力電子領域和光電子領域并不算很多，但多數都具有較強的科研實力和市場運作能力。GaN 微波射頻器件的商業化供應發展迅速。
Qorvo 產品工作頻率范圍最大，Skyworks 產品工作頻率較小。Qorvo、CREE、MACOM 73%的產品輸出功率集中在 10W～100W 之間，最大功率達到 1500W（工作頻率在 1.0-1.1GHz，由 Qorvo 生產），采用的技術主要是 GaN/SiC GaN 路線。
此外，部分企業提供 GaN 射頻模組產品，目前有 4家企業對外提供 GaN 射頻放大器的銷售，其中 Qorvo 產品工作頻率范圍最大，最大工作頻率可達到 31GHz。Skyworks 產品工作頻率較小，主要集中在 0.05-1.218GHz 之間。
Qorvo 射頻放大器的產品類別最多。在我國工信部公布的 2 個 5G 工作頻段（3.3-3.6GHz、4.8-5GHz，）內，Qorvo 公司推出的射頻放大器的產品類別最多，最高功率分別高達 100W 和 80W（1 月份 Qorvo 在 4.8-5GHz 的產品最高功率為 60W），ADI 在 4.8-5GHz 的產品最高功率提高到 50W（之前產品的最高功率不到 40W），其他產品的功率大部分在 50W 以下。
▌大陸 GaN射頻器件產業鏈重點公司及產品進展
歐美國家出于對我國技術發展速度的擔憂及遏制我國新材料技術的發展想法，在第三代半導體材料方面，對我國進行幾乎全面技術封鎖和材料封鎖。
在此情況下，我國科研機構和企業單位立足自主創新，目前在 GaN 微波射頻領域已取得顯著成效，在軍事國防領域和民用通信領域兩個領域進行突破，打造了中電科 13 所、中電科 55 所、中興通信、大唐移動等重點企業以及中國移動、中國聯通等大客戶。
蘇州能訊推出了頻率高達 6GHz、工作電壓 48V、設計功率從 10W-320W的射頻功率晶體管。
在移動通信方面，蘇州能訊已經可以提供適合 LTE、4G、5G 等移動通信應用的高效率和高增益的射頻功放管，工作頻率涵蓋1.8-3.8GHz，工作電壓 48V，設計功率從 130W-390W，平均功率為 16W-55W。
