GaN射頻器件
關注創建者：匿名 創建時間：2021-07-26
GaN射頻器件的實例教程
▲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。
展開 半導體材料研究熱點，GaN 射頻器件應用前景明朗
氮化鎵（GaN）是由氮和鎵組成的一種半導體材料，因為其禁帶寬度大于 2.2eV，故被稱為寬禁帶半導體材料。GaN 材料作為微波功率晶體管的優良材料與藍色光發光器件中的一種具有重要應用價值的半導體，是目前全球半導體研究的前沿和熱點。與傳統半導體材料硅相比，由于 GaN 禁帶寬度是硅的 3-4 倍、熱導率是硅的 2 倍，使得 GaN 器件可在 300℃以上的高溫下工作，能夠承載更高的能量密度，可靠性更高；其擊穿場強比硅高 10 倍，使得器件導通電阻減少，有利于提升器件整體的能效；飽和電子遷移速度是硅的 2-4 倍，因此允許器件更高速地工作。GaN 器件在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面有著廣闊的前景。
GaN 外延片可分為同質外延片與異質外延片。在GaN 單晶襯底上生長的GaN為同質外延片，以GaN 單晶材料作為襯底可以大大提高外延膜的晶體質量，降低錯位密度，提高器件工作壽命。但由于GaN 材料硬度高，熔點高，襯底制作難度高，位錯缺陷密度較高導致良率低，技術進步緩慢。
因此GaN 晶圓的成本仍然居高不下，GaN 厚膜襯底的應用受到限制。除了同質外延片外，GaN 還可以生長在其他襯底材料上，稱之為異質外延片。目前常用的襯底材料包括藍寶石、SiC、硅與金剛石。其中藍寶石GaN 只能用來做LED；硅基GaN（GaN on Si）可以做功率器件和小功率的射頻器件；碳化硅基GaN（GaN on SiC）可以制造大功率LED、功率器件和大功率射頻芯片。
展開 2015年9月，Cree公司將旗下功率和射頻部門（Power & RF）分拆為獨立的“Wolfspeed”公司。新成立后的Wolfspeed公司是全球最大的SiC襯底材料供應商，是美國軍用雷達可靠的GaN射頻器件供應商和全球前三大的SiC功率器件企業。預計2019年，Wolfspeed公司的銷售額將達到5.9億美元，是2015年分拆時的3.3倍。
圖2 2016-2019財年Wolfspeed公司營業收入（單位：百萬美元）
數據來源：公司財報，賽迪智庫整理和預測
二、Cree在化合物半導體領域的布局策略
（一）以SiC材料為核心延伸價值鏈
Cree是全球最大的SiC襯底材料供應商，2018年，Cree將SiC材料產能增加了一倍，市場份額近60%，并與Infineon和ST兩大汽車電子半導體供應商簽訂了多年供貨協議。在用于制造GaN-on-SiC射頻器件的高純半絕緣SiC襯底市場，Cree的市場份額可達90%。Cree依托SiC襯底材料領域的核心競爭力，向GaN-on-SiC射頻器件和SiC功率器件領域延伸。2016-2019財年，GaN射頻器件和SiC功率器件的年均增速分別達到29%和51%。
（二）通過并購打通通信市場渠道
Cree的GaN射頻器件部門早期主要服務于美國軍工，產品曾裝載在“薩德”彈道導彈防御系統中。隨著移動通信基站對高頻率和高功效的要求進一步提高，GaN射頻器件成為基站功率放大器的優選解決方案。Cree公司主要通過為NXP/Freescale、Infineon、RFHIC等基站射頻器件企業代工的途徑進入GaN射頻器件市場，在基站領域的市場份額不及華為的供應商日本住友電工公司。
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GaN 材料外延
射頻器件主要以GaN-on-SiC為主要技術路線，主流尺寸是4英寸和6英寸，預計到2020年，隨著6英寸SiC襯底價格不斷下降，6英寸外延將成為重點。此外，基于高阻硅的GaN-on-Si未來有望在高頻-低功率市場打破GaN-on-SiC在射頻器件的壟斷局面，例如未來5G將大規模應用的小基站市場，美國MACOM公司主要采用GaNon-Si技術制造射頻器件。
GaN射頻外延企業主要有比利時的EpiGaN、英國的IQE、日本的NTT-AT。中國廠商有蘇州晶湛、蘇州能華和世紀金光，蘇州晶湛2014年就已研發出8”硅基外延片，現階段已能批量生產。蘇州能華主要面向太陽能發電、電力傳輸等電力領域。世紀金光在SiC、GaN領域的粉料、單晶、外延、器件和模塊都有涉及。
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GaN 器件設計與制造
GaN射頻器件主要有HEMT和HBT兩大工藝。射頻工藝主要跟柵長及偏置電壓（Bias）有關，工藝制程越低，器件頻率越高。0.5μm柵長和高偏置(40到50V)，主要瞄準高功率、頻率Sub-8GHz器件；0.25μm柵長和中偏置(28到30V)，主要瞄準更高頻率(約18GHz)的器件； 0.15μm-0.1μm柵長，主要瞄準毫米波器件(30GHz以上)。現階段GaN射頻器件主流工藝制程正從0.25μm-0.5μm向0.15μm-0.1μm過渡。Qorvo正在進行90nm工藝的研發，Cree及穩懋主要制程工藝在0.25-0.5μm之間。 粉料、單晶、外延、器件和模塊都有涉及。
展開 來源：平安證券
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GaN射頻器件的最新內容
射頻放大芯片（如低噪聲放大器LNA、功率放大器PA）的核心功能是通過放大高頻信號實現無線通信的穩定傳輸，其工作原理分為發射鏈路和接收鏈路兩部分。
一、發射鏈路（數字信號→射頻信號）：
調制與放大?：基帶數字信號經調制器加載到高頻載波（如5G的64QAM調制），再通過驅動放大器初步放大。
波與功率放大?：信號經帶通濾波器去除雜波后，進入功率放大器（PA）提升至天線發射功率（手機通常為1~
<p><span style="color: rgb(0, 0, 0);"> 工程師 、研究人員和科研人員們一直在努力改進設計，電磁行業仿真工程師也不例外。“如何獲得最優形狀？”每一位工程師都會產生這樣的疑問，形狀優化技術應運而生，尺寸優化是目前比較常見的優化技巧，形狀優化是尺寸優化的延伸，不僅需要考慮尺寸更改，還涉及到形狀的總體改變。結構的形狀受控于一組設計參數
在微波射頻器件方面：GaN微波射頻器件主要包括SiC基GaN、Si基GaN和金剛石基GaN的功率放大器。對于SiC基GaN工藝，主要應用場景是軍事和國防領域的雷達、衛星通信，對輸出功率要求比較高，中國已經研制出覆蓋C波段和Kα波段多款軍用GaN HEMT及MMIC；在民用方面，中國推出了用于無線通信基站的GaN微波功率管，但在可靠性、工藝技術方面還存在較大差距。
2019年，Cree逐步剝離LED業務，專注于碳化硅電力電子器件和用于GaN射頻器件，并于2021年正式更名為Wolfspeed（原Cree旗下的功率&射頻部門）。在技術分布上，發光二極管LED和GaN基FET器件兩大方向是Cree重要的專利布局領域。其中，前者的研發熱度在近幾年明顯衰退，而Cree在后者的細分領域中則探索了較多的技術難題，注重器件多性能發展。
射頻器件和提升GaN器件制造工藝，積極推動GaN寬禁帶半導體技術的發展。
器件方面，2019年商業化的Si基GaN HEMT最高電壓為650V；硅基GaN射頻器件性能位于國際前列水平，工作頻率145GHz-220GHz，已實現規模量化供貨。SiC器件國內外產品涵蓋的電壓等級已經基本無差別，SiC SBD覆蓋600V-3300V的電壓范圍；SiC MOSFET方面，全SiC功率模塊最高規格為1200V/600A等。
如今，越來越多的汽車制造商涉足電動汽車 (EV) 開發，但是電動汽車的駕程過短卻始終是個問題。盡管采用空氣動力學設計、更輕質的材料、更高效的功耗等方法確有成效，但這還遠遠不夠。汽車電力電子設計人員還需要使用先進的寬帶隙半導體
西安電子科技大學開展了面向5G的C波段的GaN大功率射頻器件的研究，如圖2，在頻率為5GHz，Vd為28V時進行三次諧波調制研究，連續波工作狀態下，器件的功率附加效率到達了目前國際最高指標85.16%，且功率密度為7.0W/mm，功率增益為14.9 dB，這也為6G通信的發展提供了強有力的支撐，為未來毫米波通信奠定了重要的基礎。
根據預測，2020年末，GaN射頻器件市場規模將達到7.5億美元，年均復合增長率20%。目前氮化鎵器件已應用于5G通信基站射頻收發單元、消費類電子快速充電器、電動汽車充電機OBC等領域。
LED領域
其中LED領域占比達70%。
根據預測，2020年末，GaN射頻器件市場規模將達到7.5億美元，年均復合增長率20%。目前氮化鎵器件已應用于5G通信基站射頻收發單元、消費類電子快速充電器、電動汽車充電機OBC等領域。
LED領域
其中LED領域占比達70%。
