第三代半导体GaN材料在5G中的应用潜力巨大！

导读

第三代半导体GaN材料因其优异的物理和化学性能，在高功率和高频率要求的5G基站中应用潜力巨大。国内外重点企业相继推出相关射频器件产品，以期获得先发优势。

半导体材料是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内），可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。半导体材料可以划分为三个时代。

第一代半导体材料以硅（Si）和锗（Ge）等元素半导体材料为代表，奠定了微电子产业基础。其典型应用是集成电路（IntegratedCircuit，IC），主要应用于低压、低频、低功率晶体管和探测器，在未来一段时间，Si材料的主导地位仍将存在。但Si材料的物理性质限制了其在高压和高频电子器件上的应用。

第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表，奠定了信息产业基础。GaAs材料的电子迁移率是Si的6倍，具有直接带隙，故其器件相对Si器件具有高频、高速的性能，被公认为是很合适的通信用半导体材料。同时，其在军事电子系统中的应用日益广泛且不可替代。然而，由于禁带宽度范围不够大、击穿电场较低，限制了其在高温、高频和高功率器件领域的应用。另外，GaAs材料具有毒性，对环境和人类健康存在威胁。

第三代半导体材料是指带隙宽度明显大于Si（1.1eV）和GaAs（1.4eV）的宽禁带半导体材料（2.0eV～6.0 eV），包括Ⅲ族氮化物﹝如氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）等），碳化硅（SiC），宽禁带氧化物（（如氧化锌（ZnO）、氧化镓（Ga2O3）、钙钛矿（CaTiO3）等））及金刚石薄膜等宽禁带半导体材料。与第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料禁带宽度大，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性质，第三代半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行，而且在高电压、高频率状态下更为可靠，此外还能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力。第三代半导体材料正在成为抢占下一代信息技术、节能减排及国防安全技术的战略制高点，是战略性新兴产业的重要组成部分。

第三代半导体材料目前产业化较多的是氮化镓和碳化硅两大材料体系，主要应用领域有三大方向，包括电力电子、微波射频和光电子。具体如图1所示。

图1 氮化镓和碳化硅材料、器件及主要应用

第三代半导体在微波射频领域的应用器件主要包括GaN HEMT（High electron mobility transistor，高电子迁移率晶体管）和GaN MMIC（Monolithic MicrowaveIntegrated Circuit，单片微波集成电路）。在相控雷达、电子对抗、导弹和无线电通信等军事国防领域有巨大应用潜力；在民用商业应用领域，可用于无线基础设施（基站）、卫星通信、有线电视和功率电子等。

GaN材料具有宽的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强等优越性能，是发展高频、高温、高功率电子器件的最优材料之一。下面结合半导体的物理特性，对GaN HEMT的特点加以说明。

1、输出功率高，附加效率高

GaNHEMT 的发展得益于宽禁带半导体AlGaN/GaN 异质结材料系统，从表1 可见 GaN 的击穿场强高，比Si 和GaAs 高出数倍。具有相对低的本征载流子产生率，由于在该异质结界面上存在自发极化和压电极化效应，二维电子气浓度很高，同时电子饱和速度较高。AlGaN /GaN 异质结外延生长于宽禁带材料SiC 半绝缘衬底上，该衬底热导率优于金属铜。其良好的散热特性有利于高功率工作。GaN HEMT 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效放大器(PA，Power Amplifier)。

2、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，该衬底热导率优于金属铜，适当控制GaN HEMT 的功率密度可轻松实现长脉宽，高占空比，在大功率连续波工作均可实现。

3、工作频带宽，工作频率高

GaNHEMT的截止频率直接决定了其应用的工作频率和瞬时带宽，它随沟道的掺杂浓度增加而上升，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 波段以下工作。GaAs器件具有比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，GaN HEMT具有宽的禁带能量、高击穿场强和高饱和电子漂移速度的特性，补偿了这一不足而获得好的高频性能，GaN HEMT可以工作在更高频率同时能有高输出功率。另外，GaN HEMT的固有特性使得其输入输出阻抗较高，电路的宽带阻抗匹配更加容易实现，使得GaN HEMT 适合宽带应用。

4、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族化合物中电离度是最高的、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功率器件通常采用热传导率更优的SiC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。

表1 主要半导体材料的关键性质

资料来源：材料深一度整理

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。

相较于基于Si的横向扩散金属氧化物半导体（Si LDMOS，Lateral Double-diffused Metal-oxide Semiconductor）和GaAs，在基站端GaN射频器件更能有效满足5G的高功率、高通信频段和高效率等要求。目前针对3G和LTE基站市场的功率放大器主要有Si LDMOS和GaAs两种，但LDMOS 功率放大器的带宽会随着频率的增加而大幅减少，仅在不超过约3.5GHz的频率范围内有效，而GaAs功率放大器虽然能满足高频通信的需求，但其输出功率比GaN器件逊色很多。然而，在移动终端领域GaN射频器件尚未开始规模应用，原因在于较高的生产成本和供电电压。

从下图可以看出，GaN将在高功率，高频率射频市场发挥重要作用。

图2 各材料体系的射频器件工作区间

资料来源：网络

1、境外重点企业及产品进展

目前微波射频领域虽然备受关注，但是由于技术水平较高，专利壁垒过大，因此这个领域的企业相比较电力电子领域和光电子领域并不算很多，但多数都具有较强的科研实力和市场运作能力，同时多数企业都与政府以及军事部门关系密切。

图3 境外GaN射频器件产业链重点企业

资料来源：材料深一度

GaN 微波射频器件的商业化供应发展迅速。据材料深一度对Mouser 数据统计分析显示，截至2018年4月，共有4家厂商推出了150个品类的GaN HEMT， 占整个射频晶体管供应品类的9.9%，较1月增长了0.6%。

Qorvo、CREE、MACOM 73%的产品输出功率集中在10W～100W之间，最大功率达到1500W（工作频率在1.0-1.1GHz， 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射频放大器的销售，其中Qorvo产品工作频率范围最大，最大工作频率可达到31GHz。Skyworks产品工作频率较小，主要集中在0.05-1.218GHz之间。

在我国工信部公布的2个5G工作频段（3.3-3.6GHz、4.8-5GHz，）内，Qorvo 公司推出的射频放大器的产品类别最多，最高功率分别高达 100W和 80W（1月份Qorvo在4.8-5GHz的产品最高功率为60W），Analog Devices在4.8-5GHz的产品最高功率提高到50W（之前产品的最高功率不到40W）， 其他产品的功率大部分在50W 以下。

2、大陆重点企业及产品进展

欧美国家出于对我国技术发展速度的担忧及遏制我国新材料技术的发展想法，在第三代半导体材料方面，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微波射频领域已取得显著成效，在军事国防领域和民用通信领域两个领域进行突破，打造了中电科13所、中电科55所、中兴通信、大唐移动等重点企业以及中国移动、中国联通等大客户。

图4 大陆GaN射频器件产业链重点企业

资料来源：材料深一度

在军用领域，我国目前已研制出覆盖C波段至Ka波段的多款军用GaN微波功率器件及MMIC，处于样品试制、试用阶段。

民用方面，苏州能讯推出了频率高达6GHz、工作电压48V、设计功率从10W-320W的射频功率晶体管。在移动通信方面，苏州能讯已经可以提供适合LTE、4G、5G等移动通信应用的高效率和高增益的射频功放管，工作频率涵盖1.8-3.8GHz，工作电压48V，设计功率从130W-390W，平均功率为16W-55W。

根据Yole的数据，经过了2015年到2016年的缓慢发展，全球射频功率器件市场（单个器件平均功率大于3W）在2016到2022年间将以9.8%的复合年增长率（CAGR）快速增长。市场规模有望从2016年的15亿美元增长到2022年的 25亿美元。快速增长的原因主要来源于5G基站的更新换代以及设备小型化的巨大需求。

2017年，全球GaN射频市场规模约为3.84亿美元，在3W以上（不含手机PA）的RF射频市场的渗透率超过20%。GaN在基站、雷达和航空应用中，正逐步取代LDMOS。随着数据通讯、更高运行频率和带宽的要求日益增长，GaN在基站和无线回程中的应用持续攀升。在未来的网络设计中，针对载波聚合和大规模输入输出（MIMO）等新技术，GaN将凭借其高效率和高宽带性能，相比现有的LDMOS处于更有利的位置。

未来5～10年内，Yole预计GaN将逐步取代LDMOS，并逐渐成为3W 及以上RF功率应用的主流技术。而GaAs将凭借其得到市场验证的可靠性和性价比，将确保其稳定的市场份额。LDMOS的市场份额则会逐步下降，预测期内将降至整体市场规模的15%左右。2023年，GaN RF器件的市场营收预计将达到13亿美元，约占3W以上的RF 功率市场的45%。

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