近些年，下游行業應用對半導體材料性能要求不斷提高，在射頻（RF）和功率電子方面，氮化鎵（GaN）芯片在消費電子領域滲透率不斷提升，市場在高速增長。

　　TrendForce預計，2021年，GaN功率器件市場規模將達到6100萬美元，年增長率達到90.6%，年增長率有望在2022年達到最高峰，后續隨著廠商采用逐漸普及，增長態勢將趨緩。

　　作為第三代化合物半導體的代表，GaN具有諸多優點，如高熔點、出色的擊穿能力、更高的電子密度和電子速度，以及更高的工作溫度，且GaN的能隙很寬，達到3.4eV，具有低導通損耗和高電流密度。

　　主要應用

　　GaN主要用于微波射頻和功率電子領域。

　　GaN 在射頻市場更關注高功率、高頻率場景。由于GaN在高頻下具有較高的功率輸出和較小的面積，已被射頻行業廣泛采用。隨著5G到來，GaN在Sub-6GHz宏基站和毫米波（24GHz 以上）小基站中找到了用武之地。

　　2020年，疫情對市場產生了短暫影響，意法半導體（ST Microelectronics）和英飛凌（Infineon）等歐洲巨頭曾短暫減產。預計在預測期內，GaN在5G基站制造中的采用將越來越多，將帶動市場增長。

　　在射頻應用中，PA是GaN的主戰場。5G對于設備性能和功率效率提出了更高的要求，特別是在基站端，基站數量和單個基站成本雙雙上漲，這將會帶來市場空間的巨大增長。依據蜂窩通信理論計算，要達到相同的覆蓋率，估計中國5G宏基站數量要達到約500萬個。2021年全球5G宏基站PA和濾波器市場將達到243.1億元人民幣，年均復合增長率CAGR為162.31%，2021年全球4G和5G小基站射頻器件市場將達到21.54億元人民幣，CAGR為140.61%。

　　由于基站越來越多地用到了多天線MIMO技術，這對PA提出了更多需求。預計到2022年，4G/ 5G基礎用的射頻半導體市場規模將達到16億美元，其中，MIMO PA的年復合增長率將達到135%，射頻前端模塊的年復合增長率將達到 119%。

　　相對于4G，5G基站用到的PA數會加倍增長。4G基站采用4T4R方案，按照三個扇區，對應的射頻PA需求量為12個，5G基站中，預計64T64R將成為主流方案，對應的PA需求量高達192個。

　　目前的PA市場，包括基站和手機端用的，制造工藝主要包括傳統的LDMOS、GaAs，以及新興的GaN。而在基站端，傳統LDMOS工藝用的更多，但是，LDMOS 技術適用于低頻段，在高頻應用領域存在局限性。而為了適應5G網絡對性能和功率效率的需求，越來越多地應用到了GaN，它能較好地適用于大規模MIMO。

　　GaN具有優異的高功率密度和高頻特性。GaAs擁有微波頻率和5V至7V的工作電壓，多年來一直廣泛應用于PA。硅基LDMOS技術的工作電壓為28V，已經在電信領域使用了許多年，但其主要在4GHz以下頻率發揮作用，在寬帶應用中的使用并不廣泛。相比之下，GaN的工作電壓為28V至50V，具有更高的功率密度和截止頻率，在MIMO應用中，可實現高整合性解決方案。

　　在宏基站PA應用中，GaN憑借高頻、高輸出功率的優勢，正在逐漸取代LDMOS；在小基站中，未來一段時間內仍然以GaAs工藝為主，這是因為它具備可靠性和高性價比的優勢，但隨著GaN器件成本的降低和技術的提高，GaN PA有望在小基站應用中逐步拓展。

　　在手機端，射頻前端PA還是以GaAs工藝為主，短期內還看不到GaN的機會，主要原因是成本和高電壓特性，這在手機內難以接受。

　　功率電子方面，用GaN制造電源轉換器，是當下最熱門的。過去生產相關產品，最難的部分是取得碳化硅的基板，一片6英寸的晶圓，要價高達8萬元臺幣。

　　近幾年，市場上開始出現將GaN堆棧在硅基板上的技術（GaN on Si）。這種技術大幅降低了化合物半導體的成本，用在生產處理數百伏特的電壓轉換，可以做到又小又省電。目前，市面上已經可以看到，原本便當大小的筆電電源適配器，已經能做到只有餅干大小，OPPO、聯想等公司，更要把這種技術內建在高端手機和筆電里。

　　野村證券發表的題為“A GaN Changer”的產業報告，認為未來2~3年，第三代半導體將重塑全球消費類電源市場，取代用硅制作的IGBT電源管理芯片。野村證券報告預估，2023年，這個市場產值每年將以6成以上速度增長。第三代半導體能源轉換效率能達到95%以上，一旦被大幅采用，能實現很好的節能效果。

　　在功率電子方面，GaN的應用也在不斷創新，例如，意法半導體（ST）正在開發一種將其BCD硅技術中內置的微控制器與GaN器件相結合的工藝，以實現智能電源。

　　據悉，這是建立在Bipolar-CMOS-DMOS（BCD）技術基礎上的。BCD的開發始于35年前，它在4英寸晶圓上以4微米工藝結合了模擬，邏輯，存儲器和功率組件。不久后，其第10代技術將開始以90nm工藝生產，這將導致40nm工藝與高度集成的微控制器一起用于有線和無線充電設備以及許多其他電源應用。

　　GaN外延片技術

　　GaN外延片主要有兩種襯底技術，分別是GaN on Si（硅基氮化鎵）和GaN on SiC（碳化硅基氮化鎵）。當然，除了以上這兩種主流技術外，還有GaN on sapphire，以及GaN on GaN技術。目前，GaN on Si應用較多。

　　雖然GaN on SiC性能相對較佳，但價格明顯高于GaN on Si。另外，GaN on Si生長速度較快，也較容易擴展到8英寸晶圓。雖然GaN on Si性能略遜于GaN on SiC，但目前工藝水平制造的器件已能達到 LDMOS 原始功率密度的5-8 倍，在高于2GHz的頻率工作時，成本與同等性能的LDMOS 出入不大。另外，硅基技術也將對CMOS工藝兼容，使GaN器件與CMOS工藝器件集成在一塊芯片上。這些使得GaN on Si成為市場主流，而且主要應用于電力電子領域，未來有望大量導入5G基站的功率放大器 （PA）。

　　GaN on SiC則結合了SiC優異的導熱性和GaN的高功率密度和低損耗的能力，與Si相比，SiC是一種非常“耗散”的襯底，此基板上的器件可以在高電壓和高漏極電流下運行，結溫將隨射頻功率而緩慢升高，因此射頻性能更好，是射頻應用的合適材料。在相同的耗散條件下，SiC器件的可靠性和使用壽命更好。但是，受限于SiC襯底，目前仍然限制在4英寸與6英寸晶圓，8英寸的還沒有推廣。

　　在射頻應用方面，Cree（Wolfspeed）擁有最強的實力，在射頻應用的 GaN HEMT 專利競爭中，尤其在GaN on SiC技術方面，該公司處于領先地位，遠遠領先于其主要競爭對手住友電工和富士通。英特爾和MACOM是目前最活躍的射頻GaN專利申請者，主要聚焦在GaN on Si技術領域。GaN射頻HEMT相關專利領域的新進入者主要是中國廠商，如HiWafer（海威華芯）、三安集成和華進創威。

　　局限性

　　與Si相比，GaN具有許多重要優勢，更節能，更快，甚至更好的恢復特性。然而，它在一段時間內不會在所有應用中取代Si。

　　GaN需要克服的第一個障礙是晶體管的耗盡性質，有效功率和邏輯電路需要常開和常關兩種類型的晶體管，雖然可以生產常關型GaN晶體管，但它們要么依賴于典型的Si MOSFET，要么需要特殊的附加層，這使得它們難以收縮，不能以與當前Si晶體管相同的規模生產GaN晶體管，這意味著其難以在CPU和其他微控制器中使用。

　　GaN晶體管的第二個問題是，用于制造增強型GaN晶體管的唯一已知方法，是使用松下公司獲得的專利技術，這意味著涉及這種晶體管類型的任何創新都將依賴于松下，直到研究出其他方法。

　　成本控制

　　GaN功率元件價格已經出現很大的降幅，但成本仍是打開市場的關鍵，其與Si產品相比，目前成本還比較高。

　　英飛凌是率先使用12英寸晶圓工廠生產Si基功率元件的廠商，近年來，隨著手機、電腦充電器的發展，GaN芯片得到越來越廣的應用，相關制造技術也在快速推進中。近期，英飛凌公司表示，其GaN等新材料產品已經進入量產階段，未來這類功率芯片的制造將從主流的6英寸轉移到8英寸晶圓廠生產。這將有助于降低成本。

　　英飛凌預測，未來在生產規模、產能投資、良率控制等方面的共同推進下，GaN功率元件的成本有望下降，預計3~5年后有機會把成本降到跟Si基元件相仿的程度。

　　中國表現

　　無論是國際大廠，如Qorvo、英飛凌、NXP、Cree、日本住友等，還是中國本土廠商，如三安光電、海特高新（海威華芯）、蘇州能訊和英諾賽科等，都在GaN上不斷加大投入力度，以求占得市場先機。

　　近些年，中國陸續有相關的外延片項目投產，如2019下半年，北京耐威科技控股子公司聚能晶源投資建設的第三代半導體材料制造項目（一期）于9月正式投產。本項目設計產能為年產1萬片GaN外延片，既可生產提供標準結構的 GaN 外延片，也可根據客戶需求開發、量產定制化外延晶圓。

　　與此同時，西部地區首個GaN外延片工廠聚力成成功試產。在電力電子領域，聚力成具備開發6英寸650V/100V硅基氮化鎵外延片技術能力，實現650V/15A硅基氮化鎵功率器件的生產工藝。在微波射頻領域，該公司同樣具有研發GaN on SiC外延材料的技術能力，產品主要定位在射頻通訊和射頻能量市場。

　　目前，國內已有多家企業布局GaN外延片產業，除了聚力成以外，還有江蘇能華、英諾賽科、三安集成、江蘇華功、大連芯冠和海威華芯等，其中英諾賽科的8英寸Si基GaN生產線已經相繼開始啟用。

　　最近，中國本土廠商在GaN晶圓廠建設的腳步不斷提速，例如，英諾賽科（蘇州）半導體有限公司宣布其8英寸硅基氮化鎵芯片生產線一期第一階段產能擴展建設項目量產。預計2021年實現產能可達6000片/月。項目全部達產后預計將實現年產能78萬片8英寸硅基氮化鎵晶圓。據悉，該項目主要建設從器件設計、驅動IC設計開發、材料制造、器件制備、后段封測以及模塊加工的全產業鏈寬禁帶半導體器件制造平臺。

　　無獨有偶，就在不久前，中國本土另一家化合物半導體大廠賽微電子發布了關于與青州市人民政府簽署《合作協議》的公告，賽微電子擬在青州經濟開發區發起投資10億元分期建設聚能國際6-8英寸硅基氮化鎵功率器件半導體制造項目，一期建成投產后將形成5000片/月的6-8英寸氮化鎵晶圓生產能力，二期建成投產后將形成12000片/月的6-8英寸氮化鎵晶圓生產能力。

　　據統計，在GaN電力電子產線方面，截至2020年底，我國已有7條GaN on Si晶圓制造產線，另有約4條GaN電力電子產線正在建設。GaN射頻產線方面，截至2020年底，我國有5條4英寸GaN on SiC生產線，有5條GaN射頻產線正在建設。