GaN將成PA主流技術，這家美國公司恐成最大贏家

如今，電子業(yè)正邁向4G的終點、5G的起點。 后者發(fā)展上仍有不少進步空間，但可以確定，新一代無線電網(wǎng)絡勢必需要更多組件、更高頻率做支撐，可望為芯片商帶龐大商機--特別是對RF功率半導體供貨商而言。 對此，市研機構Yole于7月發(fā)布「2017年RF功率市場與科技報告」指出，RF功率市場近期可望由衰轉盛，并以將近二位數(shù)的年復合成長率（GAGR）迅速成長；同時，氮化鎵（GaN）將逐漸取代橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS），成為市場主流技術。

拜電信基站升級、小型基地臺逐漸普及所賜，RF功率市場可望脫離2015年以來的低潮，開始蓬勃發(fā)展--報告指出，整體市場營收到2022年底則有望暴增75%之多，2016~2022年間CAGR將達9.8%；其中，占電信基礎設施近一半比重的基站、無線回程網(wǎng)絡等相關組件，同一時段CAGR各為12.5%、5.3%。 再者，鑒于效能較高、體積較小且穩(wěn)定性較佳，砷化鎵（GaAs）、GaN等固態(tài)技術將在國防應用上逐漸取代真空管，提供RF功率組件更多發(fā)展機會。 Yole預期，此部分營收至2022年將成長20%，2016~2022年間CAGR達4.3%。

技術方面，受與日俱增的信息流量、更高操作頻率與帶寬等需求驅使，GaN組件使用越來越普遍，正于電信大型基站、雷達/航空用真空管與其它寬帶應用上取代LDMOS組件，現(xiàn)已占據(jù)整體20%營收以上。 針對未來網(wǎng)絡設計，Yole表示，GaN之于載波聚合（CA）、多輸入多輸出（MIMO）等新科技，效能與帶寬上雙雙較LDMOS具優(yōu)勢。 此外，得力于在行動網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)發(fā)展得當，GaAs技術已成熟到能進入市場，可望在國防、有線電視等應用上穩(wěn)占一席之地。

GaN 晶體結構

此報告估計，GaN將于未來5~10年成為3W以上RF功率應用的主流技術，GaAs基于其穩(wěn)定性與不錯的性價比，也得以維持一定比重；至于LDMOS部分則將繼續(xù)衰退，市場規(guī)模跌至整體15%，然考慮到其高成熟性與低成本等，短期內在RF功率市場仍不至面臨淘汰。

絡達科技技術長林珩之表示，5G基地臺的功率放大器將會以砷化鎵與氮化鎵制程為主，因其是功率主導（Power Handle），并以表現(xiàn)度為主要衡量指針。 但這樣的制程需更多的校準（Calibration）程序，成本會比較高。 不過，基地臺的整體數(shù)量相較于手機應用是比較少的，因此即便其成本略高，仍在客戶能接受的范圍內。

林珩之指出，功率主導的特性，更將促使氮化鎵比砷化鎵來得更有優(yōu)勢，因頻率更高，往往得靠氮化鎵才有辦法做到。 到了5G時代，氮化鎵將很有機會取代橫向擴散金屬氧化物半導體（Lateral Diffused MOS， LDMOS）。

而在手機功率放大器部分，目前2G是以互補式金屬氧化物半導體（CMOS）制程為主，3G、4G則是砷化鎵制程，5G因為高頻的關系，絡達十分看好氮化鎵制程，該技術同時還能讓電壓撐得更久。

林珩之分析，未來5G時代，手機功率放大器采用的半導體制程，預估將會是砷化鎵/氮化鎵占一半、CMOS占一半。 小于6GHz頻段的半導體技術，會是以砷化鎵與氮化鎵制程為主，因天線與電磁波的波長是成正比的，且高頻的天線比較大，也就須采用高功率的技術來達成，因此很有機會變成砷化鎵與氮化鎵制程的天下。

林珩之進一步指出，氮化鎵制程有辦法支撐很高的功率，這是CMOS無法做到的。 除非5G技術有辦法運用小功率在空中進行融合，CMOS制程才會有機會涵蓋到這部分的市場。 但在5G mmWave頻段，則會是以CMOS制程為主。 林珩之進一步表示，因mmWave頻段采用的天線比較小，就會是以CMOS制程為主，像是CPU、GPU、ASIC等，該制程與化合物半導體很不相同，價格會比砷化鎵/氮化鎵制程來得低。

此外，CMOS制程的應用領域也比較寬廣，目前在交換器（Switch）上便使用得相當廣泛，而采用氮化鎵制程的交換器就比較難做，因其是屬于雙極性接面型晶體管（Bipolar Junction Transistor， BJT）。 物聯(lián)網(wǎng)這類以價格為主要驅動的應用，由于對功率的要求比較低，也會是CMOS制程所能發(fā)揮的地方。

GaN 在射頻應用中脫穎而出的三大原因

鎵 （Ga） 是一種化學元素，原子序數(shù)為 31。鎵在自然界中不存在游離態(tài)，而是鋅和鋁生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品。

GaN 化合物由鎵原子和氮原子排列構成，最常見的是纖鋅礦晶體結構。纖鋅礦晶體結構（如下圖所示）呈六方形，通過兩個晶格常數(shù)（圖中標記為 a 和 c）來表征。

在半導體領域，GaN 通常是高溫下（約為 1，100°C）在異質基板（射頻應用中為碳化硅 ［SiC］，電源電子應用中為硅 ［Si］）上通過金屬有機物化學氣相淀積 （MOCVD） 或分子束外延 （MBE） 技術而制成。

GaN-on-SiC 方法結合了 GaN 的高功率密度功能與 SiC 出色的導熱性和低射頻損耗。這就是 GaN-on-SiC 成為高功率密度射頻應用合并選擇的原因所在。如今，GaN-on-SiC 基板的直徑可達 6 英寸。

GaN-on-Si 合并的熱學性能則低得多，并且具有較高的射頻損耗，但成本也低很多。這就是 GaN-on-Si 成為價格敏感型電源電子應用合并選擇的原因所在。如今，GaN-on-Si 基板的直徑可達 12 英寸。

那么，為何 GaN 在射頻應用中優(yōu)于其他半導體呢？

相比 Si 和 GaAs 等其他半導體，GaN 是一種相對較新的技術，但它已然成為某些高射頻、大功耗應用的技術之選，比如需要長距離或以高端功率水平傳輸信號的應用（如雷達、基站收發(fā)器 ［BTS］、衛(wèi)星通信、電子戰(zhàn) ［EW］ 等）。