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正如 Yole 集团在此前发布的《射频产业现状2025》报告所述，2024 年全球射频器件产业规模将达到 513 亿美元，预计到 2030 年将增长至 697 亿美元。消费电子、电信基础设施和新兴应用领域对先进无线技术的需求正在加速增长。在此背景下，5G 的推出和 6G 的初步酝酿，推动了基站和移动设备对高度集成射频前端 解决方案的需求，并推动了向宽带隙 (WBG) 半导体的转变，包括氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC)。这些前端集成了功率放大器 (PA)、滤波器和开关，支持 6 GHz 以下和毫米波 (mmWave) 操作，解决了多个频段与不同射频要求共存的问题。

硅基氮化镓在 5G/6G 中的作用日益增强

GaN 射频器件市场规模在 2024 年达到 12 亿美元，预计到 2030 年将达到 20 亿美元，复合年增长率 为 8.4%，这反映了 GaN 在无线基础设施和设备中的日益普及，如图1所示。在电信网络中，5G 大规模 MIMO 天线越来越多地转向 GaN 技术，逐渐取代功率放大器 (PA) 中的 LDMOS。在这一转变的核心，宽禁带半导体，尤其是硅基氮化镓 (GaN-on-Si) 和碳化硅基氮化镓 (GaN-on-SiC)，正在成为关键的推动因素。通过平衡性能、成本和可扩展性，GaN 有望重新定义效率、集成度和频率范围，同时挑战射频前端 (RFFE) 领域的现有技术。

与传统的硅基器件相比，GaN 等 WBG 材料具有诸多电气优势。由于 GaN/AlGaN 异质结构中存在二维电子气，GaN 在 HEMT 器件中具有更高的击穿电压和更高的电子迁移率。这些特性使其能够实现更高的工作电压、更高的功率密度和更高的工作频率，远远超越了传统 LDMOS 和砷化镓 技术。

随着 5G 网络在全球范围内的扩展，运营商面临着日益严峻的挑战:数据量呈指数级增长、功耗不断上升，以及对更小、更紧凑、功率密度更高的基站的需求。GaN 技术能够直接满足这些需求，提供更高的工作电压、更大的功率密度和卓越的频率性能，使其成为 5G 部署和向未来网络过渡的基石。

展望 6G，技术格局将日益复杂。包括 MIMO 在内的天线架构预计将扩展到 256T/256R、512T/512R，甚至 1024T/1024R，因为它们将扩展到 FR3 频段，从而改变性能、成本和集成度之间的平衡。这为硅基氮化镓 技术与现有技术竞争打开了新的机遇之窗，尤其是在大量功率放大器 (PA) 以较低单个输出功率工作的场景中。

相比之下，传统上在高功率应用中表现强劲的GaN-on-SiC在这些层面上面临着集成和成本的挑战，而硅锗在集成效率至关重要的高频领域仍然是强有力的竞争者。

从频率角度来看，GaN 在 6 GHz 以下 频段(与 LDMOS 竞争)和 FR3 (7-20 GHz) 频段都展现出其重要性，其中集成密度和低寄生效应至关重要，也是正在进行的 6G 研究的核心。随着 6G 概念逐渐成型，强调每秒太比特的速度、亚毫秒级的延迟和人工智能驱动的网络优化，硅基氮化镓 (GaN-on-Si) 凭借其高频性能、可扩展性和不断提升的经济性，成为无线基础设施下一轮飞跃的有力竞争者。

集成、规模和扩展经济性

在无线基础设施中，尺寸不仅仅是设计考量，它还是成本驱动因素。更小、更轻的基站更易于安装，维护成本更低，而且放置位置也更灵活，尤其是在人口密集的城市环境中。

通过在经济高效的硅衬底上实现高功率器件，GaN-on-Si 能够支持这些目标。使用标准的 6 英寸硅晶圆以及日益普及的 8 英寸硅晶圆可以降低材料成本，并使制造商能够利用现有的 CMOS 兼容工艺，从而实现规模化生产，而无需承担制造 GaN-on-SiC 所需的高昂资本支出。

集成度的提升也超越了芯片层面。诸如铜压CuMo、陶瓷气腔和包覆成型设计等封装创新，与硅基氮化镓 (GaN-on-Si) 相结合，可最大程度地减少寄生效应、提升热性能并缩小尺寸。这对于空间有限且散热挑战巨大的大规模MIMO天线阵列尤为重要。

从经济角度来看，硅基氮化镓 在低功耗应用中仍与成熟的 LDMOS 竞争，而这些应用的每瓦成本优势较小。然而，其应用正在不断增长。市场预测显示，到 2029 年，硅基氮化镓在基站功率放大器 (PA) 中的份额可能从目前的个位数增长到 10% 以上(图 2)，2025 年至 2030 年的复合年增长率约为 45%，超过碳化硅基氮化镓 (GaN-on-SiC) 6% 的增长率，这得益于晶圆加工规模扩大、良率提高以及 OEM 厂商的广泛接受度带来的成本降低。

超越电信:卫星和移动领域的硅基氮化镓

虽然硅基氮化镓 通常被讨论在 5G 和新兴 6G 基础设施的背景下，但其潜力还延伸到卫星通信和移动设备领域。在卫星通信中，尤其是在卫星到基站服务中，目前的部署主要依赖于基于 GaAs 的功率放大器 (PA) 来实现数据速率有限的消息传递和语音传输。

为了支持更高的吞吐量和效率，尤其是在 AST SpaceMobile 和 Lynk 等运营商大力推进直接接入蜂窝宽带的情况下，硅基氮化镓 可以在带宽和高频性能方面提供优势。然而，供应链成熟度、成本竞争力以及缺乏基于 GaN 的商用手机级解决方案仍然是障碍，因此 GaAs 将成为短期内的主导选择。

与此同时，手机代表着另一个前沿领域。理论上，硅基氮化镓 可以为 7 GHz 以下和 FR3 (7-20 GHz) 频段带来优势，从而增强卫星通信能力和未来的高带宽移动应用。然而，挑战依然严峻:该技术必须实现 8 英寸和 12 英寸晶圆的可扩展性，解决可靠性问题，并适应新的片上系统集成需求。GaAs、RF-SOI 和 SiGe 仍然是成熟的替代方案，这使得硅基氮化镓进入移动市场的时间更长，可能更接近 2020 年代末和 2030 年代初，与 6G 发展同步。

制造业发展势头和部署途径

随着主要射频厂商利用现有硅晶圆厂加速采用，硅基氮化镓 生态系统正在加速发展，大多数战略直接转向 8 英寸平台以降低成本。英飞凌科技股份公司于 2023 年进军电信市场，推出基于 8 英寸晶圆的硅基氮化镓功率放大器 (PA) 模块，旨在在未来的基站设计中挑战碳化硅基氮化镓 (GaN-on-SiC)。Macom 在收购 Ommic 和 Wolfspeed 的射频 GaN 业务后，将长期的 6 英寸产能与继承的 4 英寸生产线相结合。

格罗方德 通过与 Finwave Semiconductor Inc. 的合作以及近期收购 Tagore，正在推进 8 英寸平台上的 GaN-on-Si 生产。拥有全球最大 8 英寸晶圆厂之一的联华电子 (United Microelectronics Inc.) 也已实现 GaN-on-Si 商业化。稳懋半导体 (Win Semiconductors Corp.) 拥有一条 6 英寸生产线。与此同时，索尼半导体解决方案公司 (Sony Semiconductor Solutions) 尚未推出用于手机的商用 GaN-on-Si 产品，但据报道正在电信领域探索机会。

英特尔公司正处于技术前沿，正在开发基于 12 英寸晶圆的硅基氮化镓 技术，旨在为未来 5G 和早期 6G 应用提供具有成本竞争力的毫米波解决方案。这种向更大晶圆的转变降低了单位器件成本，并扩大了产能，而无需新建晶圆厂。这些制造工艺的进步与网络演进紧密相关:随着天线系统从 32T/32R 和 64T/64R 扩展到 128T/128R 及更高，最终达到数百个数据流，每个站点的功率放大器 (PA) 数量将会增加，而单个功率放大器 (PA) 的输出功率则会下降。

GaN-on-Si 在无线未来中的战略地位

随着电信行业从后期5G部署转向6G，对高效、可扩展、高频器件的需求比以往任何时候都更加迫切。硅基氮化镓 在性能、集成潜力和经济可扩展性方面实现了独特的平衡，使其成为未来十年无线创新的有力竞争者。

其未来的成功取决于持续降低成本、持续提升可靠性以及支持大批量生产的强大供应链。如果满足这些条件，硅基氮化镓 有望成为 5G 扩展和 6G 兴起的基础半导体技术，在控制能耗的同时提供更快、更可靠的连接。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第4179期内容，欢迎关注。

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