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2021年第一季度以来，半导体行业，确切说是化合物半导体市场发生了一些引人注目的变化：SiC（碳化硅）、GaN（氮化镓）和GaAs（砷化镓）均在其中。
先进电动汽车车型的主逆变器、OBC和DC-DC转换器加速导入SiC，特别是量产车型；在工业和交通应用中SiC也在继续渗透。
GaN快速充电器的个性化产品引领消费应用；还出现了针对数据通信、电信和汽车市场基于GaN的解决方案；GaN的投资也在继续。
5G PA（功率放大器）从2020年上半年开始大力拉动GaAs射频市场。
很明显，GaN和GaAs在应用上有很多重叠，在一些方面GaN还是GaAs的强有力替代者，两者是竞争还是和谐相处，问题有点复杂。
GaN两栖作战
- 功率GaN来势汹汹
Yole技术和市场首席分析师Ezgi Dogmus博士认为：“GaN功率器件收入预计将从2020年的不到5000万美元增长到2026年的10亿美元以上，而RF GaN市场也有望在同一时间从8.91亿美元大幅增长到25亿美元以上。而RF GaAs裸片市场将达到40亿美元。”
随着新进入者争先恐后地进入功率GaN市场，并为RF GaN行业释放了更多产能，久经考验的RF GaAs细分市场能否保持其稳固市场领先地位是一个疑问。不过，在2019年至2020年收入增长下降后，2020年第二季度RF GaAs开始稳步增长，许多行业参与者充分利用了市场复苏。
功率GaN市场变化
早在2018年，爱尔兰的GaN半导体开发商Navitas Semiconductor（纳微半导体）就在其GaNFast智能手机快速充电器中使用了GaN功率IC，引领了GaN在充电头中的爆发，2020年底以来，更多行业参与者快速跟进。GaNFast™ 功率芯片集成了GaN器件，与传统硅芯片相比，GaN运行速度快20倍，可在体积与重量减半的情况下实现3倍的充电功率和速度提升，同时具有驱动、保护和控制功能。2021年5月，Navitas宣布与美国Live Oak收购公司（Live Oak Acquisition Corp.）合并，使其成为一家以新的股票代码在美国上市的公司。
GaN功率IC高频下的更高效率
Yole的技术和市场分析师Ahmed Ben Slimane博士评论道：“这一行业的发展紧随2020年上市的美国Transphorm的脚步。现在Navitas正在快速向戴尔、联想、LG和小米等公司发货。”该公司还打算将其产品组合从快速充电器扩展到数据通信、电信、电子移动、工业、能源和其他应用，显示出强大的市场信心。
另一家值得一提的是美国的功率IC公司Power Integrations（PI），它最近发布了用于高功率密度AC-DC转换器的MinE-CAP IC，Anker新的Nano II快速充电器已经采用。该器件可大幅缩小输入大容量电容的尺寸，而不会影响输出纹波、工作效率或无需重新设计变压器。与传统技术（如极高开关频率工作）相比，MinE-CAP可大幅缩小整体电源尺寸（40%），同时避免与极高频设计相关的复杂EMI滤波和变压器、箝位耗散所增加的挑战，同时增加了器件中GaN的价值含量。这将有助于PI提高功率集成GaN的市场份额。
MinE-CAP IC优化空间和转换器运行的组件值范围
- 射频GAN应运生长
5G电信和基础设施仍然是RF GaN市场持续增长的关键驱动力，高功率、高带宽GaN组件已经渗透到基站、远程无线电头和MIMO有源天线系统。Yole估计，到2026年，这一细分市场将超过10亿美元，占整个市场的42%。
RF GaN器件预期
与此同时，国防部门也在继续推动增长，预计到2026年，其应用将占整个市场的48%。GaN已更广泛用于AESA雷达机载系统的轻型发射/接收模块，并部署在固定卫星通信中。
新兴应用包括手机和移动卫星通信。GaN认证的困难可能会阻碍该技术在卫星通信中的应用，但这种情况可能会改变。例如，欧洲航天局目前正在与空客、OMMIC等合作伙伴合作，开发用于天线的GaN功率放大器，类似项目将促进GaN在空间领域的应用。GaN功率放大器性能卓越，适用于电信、仪表、雷达等应用，也可用于卫星通信和军事。由于PAE（功率附加效率）较高，OMMIC的GaN工艺可减少能源消耗。
OMMIC的GaN功率放大器
不过，RF GaN技术何时才能真正进入手机还是一个问号？两年前，意法半导体透露，正在开发用于手机的GaN-on-Si功率放大器，预计从2022年起，GaN功率放大器将应用于移动和消费类应用。
GaAs前景依然
GaAs供应链调研显示，IDM、Epihouse（外延公司）和代工厂在2021第1季度报告了强劲的收入，直接反映了市场动态。随着5G手机从2020第4季度在智能手机市场的渗透不断增加，GaAs射频市场受到强劲拉动，特别是在中国，其次是亚洲、北美和欧洲。
RF GaAs方面，尽管在高功率和高频应用（如电信和基础设施）方面面临与GaN和SiGe（硅锗）的竞争，RF GaAs目前仍以相当大的优势占据着最大的市场份额，而且这一数字还将继续增长。
RF GaAs片芯市场预测（百万美元）
2020年，苹果iPhone 12手机开始支持5G，令GaAs需求再度上升，业界久经考验的复合半导体成为了6GHz以下频段功率放大器的关键组成部分。除了推出WiFi 6和WiFi 6E的因素外，智能手机制造商的手机连接不断推动RF GaAs的需求。Yole预测，从现在起到2023年，RF GaAs市场份额将接近40亿美元。不过，在电信和基础设施领域，GaAs的市场份额预计将因GaN和SiGe等竞争技术而减少。
虽然GaAs的增长将在很大程度上依赖手机来推动，但汽车联网C-V2X技术的逐步部署将需要更多RF GaAs器件，这可能抵消竞争技术带来的市场损失。例如，美国半导体制造商Qorvo的GaAs HBT（异质结双极型晶体管）功率放大器已开始支持美国高通公司的蜂窝车联网V2X参考设计。它是唯一一款支持C-V2X的功率放大器，旨在增强行车安全意识，改进高级驾驶辅助（ADAS）功能。
随着RF GaAs需求的不断增长，GaAs晶圆的制造能力也在不断提高。除了WIN Semiconductor（稳懋半导体）的扩张，另一家中国台湾的纯6英寸GaAs代工厂AWSC（宏捷科技）已打算在今年年底前将产能从每月12000片提高到每月20000片。
关于GaAs前景，从AWSC的业务即可见一斑。
过去15年，GaAs的应用从国防工业转变为商业应用，如智能手机、物联网（IoT）和车联网（IoV），所需的技术变得越来越具有挑战性。AWSC提供多种技术和专业服务，以满足所有客户需求。到目前为止，其其高效、低成本的各种GaAs技术和工艺包括：
- HBT：AWSC拥有3项HBT Epi（外延）技术，应用包括手机2G/3G/4G/Sub-6GHz和WiFi的11ac/ax。
- ED pHEMT：通过与日本客户的长期合作，AWSC在0.5微米ED pHEMT的基础上开发出0.25微米和0.15微米E-pHEMT技术，用于LNA（低噪声放大器）应用。
- ED BiHEMT：结合HBT和0.25微米ED pHEMT技术，AWSC开发了0.25微米ED BiHEMT工艺，以实现高质量和高度集成的技术。
- 铜柱凸块：从2017年开始向所有客户提供背面工艺的另一个选项。
AWSC技术路线图
此外，2021年3月，GaAs外延参与者中国台湾的VPEC（全新光电）也在扩大产能，在其设施中增加5-10台MOCVD设备，以应对不断扩大的业务需求。
在晶圆层面，GaAs晶圆巨头德国Freiberger Compound Materials最近收购了一家晶圆厂，以扩大射频和光电子领域的GaAs晶圆制造能力。
以上信息足见GaAs市场成长走势依然看好。
大兴土木为哪般？
Yole化合物半导体和新兴衬底技术和市场分析师Selsabil Sejil博士说：“从20多年前推出开始，GaN-on-SiC就一直是RF GaN行业的领头羊，现在可与LDMOS和GaAs匹敌。”事实上，Yole的数据表明，GaN-on-SiC将从2020年的8.86亿美元增长到2026年的22亿美元，复合年增长率为17%。”
NXP（恩智浦）及行业合作伙伴、美国II-VI Advanced Materials和日本住友电气设备创新公司都在美国建造6英寸GaN-on-SiC设施。II-VI和住友将在今年晚些时候为5G基站大量生产晶圆。关键是，每个新的晶圆厂都为从4英寸到6英寸晶圆的重要转变打开了大门，这将带来制造的规模经济。
伴随GaN-on-SiC的发展，被认为不太成熟但成本低且可扩展的GaN-on-Si也有望迅速赢得市场份额。Yole预测，GaN-on-Si将从2020年的不到500万美元增长到2026年的1.73亿美元，复合年增长率为86%。
过去几年中，美国的Macom与ST（意法半导体）合作，为电信原始设备制造商开发GaN-on-Si，而法国的OMMIC代工厂则为毫米波应用提供GaN-on-Si工艺。
Raytheon最近与GlobalFoundries联手，开发并商业化GaN-on-Si半导体，用于国防、5G/6G移动和无线基础设施，以及未来的电信和手机应用。随着消费类移动应用领域出现新的商机，许多代工厂也在研究RF应用的GaN-on-Si技术。
功率GaN应用市场继续活跃。ST也在扩大其在功率市场的影响力，在2020年收购法国了GaN-on-Si功率器件制造商Exagan的多数股权，又与台积电（TSMC）合作发布了集成GaN器件，瞄准消费和汽车应用。ST还与雷诺集团合作，开发用于电动和混合动力汽车的GaN和SiC功率半导体。
在这一过程中，EPC、Transphorm、GaN Systems和Infineon都在电信和数据通信市场赢得了设计导入，EPC还为苛刻的空间应用提供了抗辐射GaN器件。其中多数公司还推出了汽车市场认证的GaN场效应晶体管。
功率GaN市场显然进入了增长的轨道。虽然Navitas和Power Integrations目前占整个GaN功率器件市场的50%以上，但随着越来越多的参与者进入市场，预计会发生很大变化。
中国的Innoscience（英诺赛科）就是一个很好的例子。凭借其8英寸GaN-on-Si晶圆厂，这家IDM目前的月产能为4000片晶圆，在其新苏州工厂完工后这一数字将大幅提高到每月65000片。这是电源GaN市场增长的另一个迹象。
技术如何选择？
RF GaN IDM，尤其是Qorvo，在新兴5G基础设施市场上不断赢得新的设计导入，5G电信基础设施已成为其RF GaN的杀手级应用之一，预计GaN在未来几年也将进入5G手机市场。
通常认为，功率电子包括汽车要用SiC，数据通信、电信和汽车市场用GaN，5G PA用GaAs。另一种说法是：功率电子应用用SiC和GaN，RF应用用GaAs和GaN。都对，但要看具体要求。
- GaAs：熔点1238℃，600℃以下能在空气中稳定存在，能隙1.4电子伏特，且不被非氧化性的酸侵蚀。它是一种Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体，兼具多方面优点，但用它制作的晶体三极管放大倍数小，导热性差，不适宜制作大功率器件。虽然GaAs具有优越的性能，但由于会在高温下分解，生产高纯的单晶材料技术要求比较高。
- GaN：氮和镓的化合物，是一种直接能隙（direct bandgap）半导体，硬度很高，1990年起用在发光二极管中。GaN的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速光电元件，如紫光激光二极管。
GaN器件的功率密度比GaAs高10倍，因此可以提供更大的带宽、更高的放大器增益，减小器件尺寸，提高效率。
GaN场效应管工作电压比同类GaAs器件高5倍，可在更高电压下工作，因此设计人员可以更方便地在窄带放大器设计上实现阻抗匹配，使从器件到负载的功率传输最大化。此外，GaN场效应管的电流比GaAs器件高2倍，本征带宽能力更高，可以在非常狭小的空间内散发热量，形成高热通量。
未来繁荣可期
在高举高打的功率GaN、RF GaN冲击之下，久经考验的RF GaAs细分市场能否保持其充足的市场领先地位？答案是：应用市场五花八门，前景依然，GaAs和GaN生产商和代工厂扩大产能就是为了满足不断增长的市场需求。
正如Yole所说，无论是功率GaN、RF GaN还是射频GaAs市场，由于不断增长的电信和智能手机市场、始终稳定的国防领域以及新兴的汽车应用，未来都将是一个繁荣时期。
