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一、第三代半导体GaN：射频、电源、光电子广泛运用

1.15G时代，第三代半导体优势明显

第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗（Ge）元素半导体。它们在国际信息产业技术中的各类分立器件和集成电路、电子信息网络工程等领域得到了极为广泛的应用。

第二代半导体材料是指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）、磷化铟（InP），以及三元化合物半导体材料，如铝砷化镓（GaAsAl）、磷砷化镓（GaAsP）等。还有一些固溶体半导体材料，如锗硅（Ge-Si）、砷化镓-磷化镓（GaAs-GaP）等；玻璃半导体（又称非晶态半导体）材料，如非晶硅、玻璃态氧化物半导体等；有机半导体材料，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。第二代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。

第三代半导体材料主要是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带（禁带宽度Eg2.3eV）的半导体材料。

宽禁带半导体是高温、高频、抗辐射及大功率器件的适合材料。与第一代和第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和速度以及更高的抗辐射能力，更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。从目前第三代半导体材料及器件的研究来看，较为成熟的第三代半导体材料是SiC和GaN，而ZnO、金刚石、氮化铝等第三代半导体材料的研究尚属起步阶段。

1.2GaN优势明显，5G时代拥有丰富的应用场景

氮化镓（GaN）是极其稳定的化合物，又是坚硬和高熔点材料，熔点为℃。GaN具有高的电离度，在三五族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构，因为其硬度大，所以它又是一种良好的涂层保护材料。GaN具有出色的击穿能力、更高的电子密度和电子速度以及更高的工作温度。GaN的能隙很宽，为3.4eV，且具有低导通损耗、高电流密度等优势。

GaN是一种III/V直接带隙半导体，通常用于微波射频、电力电子和光电子三大领域。具体而言，微波射频方向包含了5G通信、雷达预警、卫星通讯等应用；电力电子方向包括了智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等应用；光电子方向包括了LED、激光器、光电探测器等应用。

二、射频：5G基站、雷达——GaN射频器件大有可为

2.1GaN在高温、高频、大功率射频应用中独具优势

自20年前出现首批商业产品以来，GaN已成为射频功率应用中LDMOS和GaAs的重要竞争对手，其性能和可靠性不断提高且成本不断降低。第一批GaN-on-SiC和GaN-on-Si器件几乎同时出现，但GaN-on-SiC技术更加成熟。目前在射频GaN市场上占主导地位的GaN-on-SiC突破了4GLTE无线基础设施市场，并有望在5G的Sub-6GHz实施方案的RRH（RemoteRadioHead）中进行部署。

在常用半导体工艺中，CMOS低功耗、高集成度、低成本等优势显著。SiGe工艺兼容性优势突出，几乎能与硅半导体超大规模集成电路行业中的所有新工艺技术兼容。GaAs在高功率传输领域具有优异的物理性能。GaN在高温、高频、大功率射频组件应用独具优势。基于功耗和成本等因素，消费终端产品明显更多采用CMOS技术；CPE采用CMOS和SiGeBiCMOS；低功耗接入点则采用CMOS、SiGeBiCMOS和GaAs；而高功率基站领域则是GaAs和GaN的天下。

与4G系统相比，5GmMIMO具有更多收发器和天线单元，使用波束赋形信号处理将射频能量传递给用户。mMIMO系统可将个天线单元连接到64个发送/接收（TRx）FEM，这些TRxFEM具有16个收发器RFIC和4个数字前端（DFE)，与典型的LTE4TMIMO中的4个收发器相比，数字信号处理性能可提高16倍。5GmMIMO设计下，急剧增加的信号处理硬件极大影响了系统尺寸，信号处理的功耗也在逼近板载功率放大器的功耗，在某些情况下，甚至已经超过了板载功率放大器的功耗。

mMIMO设计有助于减少传统收发器架构中模数、数模转换所需的步骤，从而缩小5G天线的尺寸和重量。与LDMOS器件相比，硅基GaN提供了良好的宽带性能和卓越的功率密度和效率，能满足严格的热规范，同时为紧密集成的mMIMO天线阵列节省了宝贵的PCB空间。

GaN非常适合毫米波领域所需的高频和宽带宽，可满足性能和小尺寸要求。使用mmWave频段的应用将需要高度定向的波束成形技术，这意味着射频子系统将需要大量有源元件来驱动相对紧凑的孔径。GaN非常适合这些应用，因为小尺寸封装的强大性能是GaN最显著的特征之一。

在高功率放大器方面，LDMOS技术由于其低频限制只在高射频功率方面取得了很小进展。GaAs技术能够在GHz以上工作，但其低导热率和工作电压限制了其输出功率水平。50VGaN/SiC技术在高频下可提供数百瓦的输出功率，并能提供雷达系统所需的坚固性和可靠性。HVGaN/SiC能够实现更高的功率，同时可显著降低射频功率晶体管的数量、系统复杂性和总成本。

2.2GaN射频市场规模到年约为20亿美元，CAGR达21%

GaN在射频市场更

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