据外媒报道，日本富士通（Fujitsu）将携手日本最大移动通讯运营商NTT DOCOMO及日本电报电话公司NTT开展联合试验，目标是通过高太赫兹频率下MIMO（多入多出技术）实现稳定、高速的通讯，推动6G的实际落地应用。

6G通讯试验即将启动

在本次联合试验中，各方将采用100GHz和300GHz的次太赫兹波，即保证能够使用6G通讯技术。在此基础上，三家企业还计划开发基于化合物半导体技术的高频无线装置。

据介绍，DOCOMO于2014年开始与富士通达成合作关系，共同验证了实现5G通讯的无限技术，并利用所获的专有知识和技术，从2020年开始提供5G商用服务。

而接下来，富士通将与DOCOMO及NTT一起启动试验，搭建6G无线技术以实现100GHz及300GHz频段的次太赫兹通讯，同时联合各大产业合作伙伴共同推动6G的商用化。

据悉，100GHz及以上频段有助于实现超100Gbps的通讯速度，是目前5G网络的10倍。然而，高频无线电波易于受障碍物的影响，从而造成距离远的站点之间通讯难度大。

为解决这个难题，富士通、DOCOMO及NTT拟使用分布式MIMO无线通讯技术。在分布式MIMO系统中，多个次太赫兹波天线被分散开，从不同方向同时向一个接收端发射无线电波。具体来说，分散在小区内的多个天线通过光纤和基站处理器相连接，具有多天线的移动台和分散在附近的基站天线进行通信,与基站建立了MIMO通信链路。

为了在次太赫兹波下实现高速、大容量通信，同时实现小尺寸和低功耗的特点，富士通计划开发基于GaN和InP等化合物半导体元件的高频无线装置。下一步，富士通将推动实现6G实际应用相关技术的开发工作，积极参与全球6G标准化活动，通过研发解决社会问题。

在射频 GaN-on-Si 原型上实现技术和性能里程碑

瑞士日内瓦的 STMicroelectronics 和美国马萨诸塞州 Lowell 的 MACOM Technology Solutions Inc（设计和制造模拟射频、微波、毫米波和光子半导体、组件和子组件）宣布，已经生产射频硅基氮化镓（ RF GaN-on-Si) 原型。

作为长期在位的射频功率技术，硅基横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）主导了早期射频功率放大器（PA）。然而，GaN 可以为射频功率放大器提供卓越的射频特性和比 LDMOS 显着更高的输出功率，特别是在 5G 和 6G 基础设施方面具有很高的潜力。此外，GaN 可以在硅或碳化硅 (SiC) 晶圆上制造。

由于高功率应用对 SiC 晶圆的竞争以及其非主流半导体加工，RF GaN-on-SiC 可能更昂贵。另一方面，意法半导体和 MACOM 正在开发的 GaN-on-Si 技术有望通过集成到标准半导体工艺流程中提供具有竞争力的性能和巨大的规模经济。

据估计，意法半导体制造的原型晶圆和器件已经实现了成本和性能目标，这将使它们能够有效地与市场上现有的 LDMOS 和 GaN-on-SiC 技术竞争。这些原型现在正转向鉴定和工业化。意法半导体的目标是在 2022 年实现这些里程碑。随着这一进展，意法半导体和 MACOM 已经开始讨论进一步扩大他们的努力，以加快向市场交付 RF GaN-on-Si 产品的速度。

“该技术现已达到性能水平和工艺成熟度，可以有效地挑战现有的 LDMOS 和 GaN-on-SiC，我们可以为包括无线基础设施在内的大批量应用提供有吸引力的成本和供应链优势，”STMicroelectronics 功率晶体管子集团总经理兼执行副总裁Edoardo Merli 相信,。“将 RF GaN-on-silicon 产品商业化是我们与 MACOM 合作的下一个重要里程碑，随着不断的进步，我们期待着充分发挥这项激动人心的技术的潜力，”他补充道。

MACOM 总裁兼首席执行官 Stephen G. Daly 评论说：“我们一起继续在将 GaN-on-Si 技术推向商业化和大批量生产方面取得良好进展。” “我们与意法半导体的合作是我们射频功率战略的重要组成部分，我相信我们可以在硅基氮化镓技术满足技术要求的目标应用中赢得市场份额。”

GaN增量空间可期

GaN、InP等化合物半导体材料在移动通信设备与基站、光纤通信等高频应用领域具有广阔的应用前景。其中，在绿色发展、节能减碳等全球趋势的背景下，GaN凭借节能高效、高频率、高功率等优点而日益受到相关应用领域的关注，将助力绿色减排。

在通讯领域，GaN已经成为5G/6G等技术的理想选择。目前，包含纯GaN厂商及相关IDM厂商在内的全球厂商已经开始加大5G/6G通讯基站、数据中心等的开发力度，并取得了突破性的成果。

例如，意法半导体今年5月宣布与电信、工业、国防和数据中心半导体解决方案供应商MACOM成功制造出射频硅基GaN原型芯片，在5G和6G移动基础设施中的应用潜力巨大。下一步，双方将深化合作，加快推动射频硅基GaN产品的上市。

此外，2021年，半导体制造商GF（Global Foundries）宣布将与雷神公司共同开发并商业化新型硅基GaN半导体器件，目的也是支持未来6G通讯网络。据介绍，新型GaN产品能够提高射频性能并维持生产和运营成本，有助于客户提升功率和功率附加效率，从而满足5G和6G毫米波工作频率标准。

从国家层面来看，多个国家已经开始积极布局5G/6G通讯网络技术，包括中国和日本。日本如今已释放出了开发支持6G通讯技术GaN产品的信号；中国也正式启动了“东数西算”工程，将构建数据中心、云计算、大数据一体化的新型算力网络体系，在此背景下，6G通讯技术有望加速落地，而这将在很大程度上促进GaN技术的进一步渗透。

TrendForce集邦咨询调查显示，现阶段，快充市场是GaN的主要成长动能，而通信基站，数据中心、光伏逆变器等工业应用场景也已经开始导入GaN技术作为替代方案，逐步打开GaN新的增长空间。总体来看，TrendForce集邦咨询预估GaN功率半导体的市场规模到2025年可达13.2亿美元。

除了6G通信，GaN在功率器件和晶圆制造上的潜力也是无可限量。

功率

在功率电子方面，用GaN制造电源转换器（简称Power GaN），是当下最热门的。过去生产相关产品，最难的部分是取得碳化硅的基板，一片6英寸的晶圆，要价高达8万元台币。

近几年，市场上开始出现将GaN堆栈在硅基板上的技术（GaN on Si）。这种技术大幅降低了化合物半导体的成本，用在生产处理数百伏特的电压转换，可以做到又小又省电。目前，市面上已经可以看到，原本便当大小的笔电电源适配器，已经能做到只有饼干大小，OPPO、联想等公司，更要把这种技术内建在高端手机和笔电里。

3月，野村证券发表了题为“A GaN Changer”的产业报告，认为未来2~3年，第三代半导体将重塑全球消费类电源市场，取代用硅制作的IGBT电源管理芯片。野村证券报告预估，2023年，这个市场产值每年将以6成以上速度增长。第三代半导体能源转换效率能达到95%以上，一旦被大幅采用，能实现很好的节能效果。

除此之外，在功率电子方面，GaN的应用也在不断创新，例如，近期，意法半导体（ST）正在开发一种将其BCD硅技术中内置的微控制器与GaN器件相结合的工艺，以实现智能电源。

据悉，这是建立在Bipolar-CMOS-DMOS（BCD）技术基础上的。BCD的开发始于35年前，它在4英寸晶圆上以4微米工艺结合了模拟，逻辑，存储器和功率组件。不久后，其第10代技术将开始以90nm工艺生产，这将导致40nm工艺与高度集成的微控制器一起用于有线和无线充电设备以及许多其他电源应用。

ST的智能电源技术研发总经理Guiseppe Croce表示：“当前一代产品使用具有相变非易失性存储器的90nm工艺，下一代产品的开发基于我们微控制器产品的40nm专有技术，但集成面临许多挑战，包括表征域之间的串扰。”

下一步的研发重点是将GaN高功率技术添加到BCD工艺中。驱动已经集成在单芯片上，但是增加微控制器的步骤意义重大。

在SiC的引领下，使用诸如宽带隙的替代半导体材料已成为主流。GaN在提高效率和电压的未来单片电源集成方面看起来很有希望，”意法半导体技术，制造和质量总裁Orio Bellezza说：“通过将GaN的优势与传统硅材料相结合，我们可以满足众多应用的需求。集成解决方案在微型BCD平台上嵌入了无芯变压器，但挑战在于高电压，其中6KV隔离是一个明显的趋势。尽管使用了介电层，但所需的层厚度却给集成带来了很大的挑战。”

他说：“智能电源存在两个主要挑战，首先是功率和模拟部分的扩展，其次是成本优化。只要解决了这两点，BCD硅技术与GaN的结合是可以实现的。”

晶圆衬底

目前，GaN晶圆主要以4英寸和6英寸为主。随着市场应用需求的增长和工艺技术的不断成熟，当下，有越来越多的厂商开发出了多种满足实际应用需求的晶圆和衬底技术。

例如，2021年3月，三菱化学透露，他们已开发出4英寸GaN单晶衬底，还在开发6英寸的产品，而且晶体缺陷仅为普通GaN衬底的1/100-1/1000，“几乎没有缺陷”。

三菱还表示，他们将于2021上半年在日本建设大规模生产线，以将4英寸GaN衬底进行商业化实验。5月18日，日本制铁所宣布，他们将在日本室兰工厂安装一条批量生产GaN单晶衬底的示范生产线，并与三菱化学共同进行示范实验。而且他们将会从明年4月开始供应4英寸GaN单晶衬底。

据悉，三菱化学的4英寸GaN衬底采用的是独特的液相生长方法——低压酸性氨热法（LPAAT），这项技术是联合日本东北大学开发的，好处是可制造大直径、高质量和低成本的GaN衬底。

近期，晶圆代工厂世界先进表示，其在GaN制程研发方面取得突破。世界先进与设备材料厂Kyma，以及转投资GaN硅基板厂Qromis合作，开发了可做到8英寸的新衬底高功率氮化镓技术 GaN-on-QST。

世界先进透露，客户对GaN-on-QST 技术的验证也有成果，有几个客户正在进行产品设计，且进度顺利，预期最快今年底、慢则明年上半年，就可小量量产。

同样是在近期，比利时的imec研究实验室展示了一种8英寸晶圆GaN工艺。imec与德国半导体设备制造商Aixtron合作，在8英寸QST衬底上生长了用于1200V应用的横向晶体管的较厚外延GaN缓冲层，其硬击穿电压超过1800V。它可以在兼容CMOS的工艺中以大批量，低成本的8英寸晶圆厂制造，与SiC器件相比，大大降低了成本。imec还在考虑从横向转移到垂直结构，可进一步降低成本，因为可以在单个晶圆上制造更多器件。

以前，GaN器件仅适合650V或800V的电压，而SiC用于高于800V和1200V的电动汽车和太阳能电池板逆变器等应用中的电压。

GaN现在可以成为20V至1200V整个工作电压范围内的首选技术。基于GaN的电源技术可在高通量CMOS晶圆厂中的较大晶圆上进行处理，与昂贵的SiC技术相比，具有明显的成本优势。

高击穿电压的关键是对复杂的外延材料堆叠的精心设计，并结合使用Qromis的IIAP程序开发的QST基板。

文章来源：宽禁带联盟，半导体行业观察