随着万物互联需求不断的增长和创新商业模式的涌现，航天工业正在经历一项名为“New Space”（新航天）的革命性转变。 这一转变的关键要素之一是在太空应用中采用氮化镓（GaN）技术。 GaN 因其出色的抗辐射能力、高系统效率和轻量化特性，在太空应用中潜力巨大。

Yole 最新报告《功率 GaN 2023》中关于GaN 功率器件太空应用的市场预测

在与 EE Times Europe 的讨论中，Yole Intelligence 的技术和市场分析师 Taha Ayari 和 Aymen Ghorbel 解释了 “New Space” 采用 GaN 技术的主要原因——低地球轨道卫星 （LEO）是“New Space”的重要组成部分，其典型的卫星寿命为 3 至 5 年，对可靠性的要求相对更低。 GaN 功率器件应用于各种卫星系统，包括 DC/DC 转换器、负载点系统、电机驱动器和离子推进器。
根据 Yole Intelligence 最新报告《功率 GaN 2023》市场预测：到 2028 年，用于太空应用的 GaN 功率器件市场规模预计将超过 2800 万美元，2022 年至 2028 年复合年增长率为 26%。 “截至 2023 年，太空应用的功率 GaN 市场将由非欧盟厂商主导，例如美国的 EPC Space 和加拿大的 GaN Systems （该公司于 2023 年 10 月被英飞凌收购）” Ayari和 Ghorbel说， “GaN Systems 正在与 Teledyne 合作提供航天级产品。 欧盟市场中积极开展功率 GaN 项目的主要是空客（Airbus）和 Thales Alenia Space 等卫星系统制造商。 截至 2023 年，欧洲还没有能够为航天工业提供产品的功率 GaN 器件供应商。”

与此同时，卫星通信已成为射频 GaN 技术的重要应用市场。 根据 Yole Intelligence 的《射频 GaN 2023》 报告，预计到 2028 年，其市场规模将达到 2.7 亿美元，2022 年至 2028 年复合年增长率高达 18%。 射频 GaN 功率放大器 (PA) 在提高卫星通信数据吞吐量、减小天线尺寸、增加带宽和提高整体效率方面发挥着重要作用。
从传统的 L/C/X 频段过渡到更高频率的 Ku/Ka 频段，实现了更高的移动卫星通信数据速率。 虽然行波管技术在历史上一直占据着该领域的主导地位，但其应用因其笨重和可靠性原因受到了一些限制。 基于 GaAs 的固态功率放大器 (SSPA) 在低功耗和轻型卫星系统中越来越受到关注，但与 GaN 相比，GaAs 在效率和带宽方面均存在局限性。
与 GaAs SSPA 相比，GaN PA 在较高频率下的优势明显，进而成为各类应用的首选，例如：地球静止轨道 (GEO) 高通量卫星、新太空计划、LEO 任务和地球观测。

GaN vs 其他太空应用半导体材料
GaN 已成为太空应用的新选择。其在两个关键领域有着广阔的应用前景：功率 GaN HEMT 和射频 GaN 功率放大器。 传统硅 MOSFET 在耐辐射性或硬度方面不如功率 GaN HEMT，后者在系统层面效率更高、外形尺寸也更小。 此外，GaN 器件的制造成本低于硅器件。 Si MOSFET 通常采用专用的小批量生产线制造且特定空间用途需要特殊设计。GaN 器件可以与汽车等高需求应用共享生产线，从而降低成本。 GaN 因其成本效益高，成为了空间系统电源的可靠之选。
据 Yole Intelligence 介绍，从射频 GaN 技术的角度来看，GaN 高功率放大器在卫星通信系统中的上行链路发射机中表现出卓越的性能，包括高输出功率、高功率附加效率、坚固性和耐用性。
“因为成本低廉的原因，截至 2023 年卫星通信系统主要使用的是GaAs 功率放大器”Ayari 和 Ghorbel 说。 “另一方面，与 GaAs 功率放大器相比，GaN 功率放大器性价比更高且热管理优势更明显。 2020 年至 2023 年期间，GaN 满足了更高频率的新要求从而获得了部分市场份额。 GaN 技术可以提供更高的数据吞吐量、更大的带宽（以更高的效率覆盖更多频谱）以及更小的天线尺寸。”

GaN 技术的竞争格局
2023 年，GaN 技术在欧盟空间应用市场竞争逐渐加剧。 虽然 Yole Intelligence 尚未发现可以为太空应用提供产品的欧盟 GaN 功率器件制造商，但几个主要竞争对手已活跃在 RF GaN 市场。 其中包括 Ommic（现已成为美国 Macom 的子公司）、UMS、Ampleon、Altum RF 等，这些公司都提供专为航空航天应用设计的 GaN PA。
Ommic
Ommic 的 GaN-on-Si 技术在 RF GaN 行业中并不常见：该技术属于 40 -100 nm 的先进技术节点。 RF GaN 行业标准碳化硅基氮化镓 (SiC) 与该技术竞争，且更为常见。
意法半导体 ST
意法半导体目前正大力投资GaN技术，其在欧洲拥有两家GaN工厂：一家位于法国图尔，专注功率 GaN；另一家位于意大利卡塔尼亚，专注射频 GaN。 ST 的目标是成为全球领先的 GaN 半导体供应商。为实现这一目标，其需要继续提高工厂产量。
在研发方面，ST 重点关注功率和射频 GaN，GaN具有出色的抗辐射能力。 虽然 ST 没有为太空应用开发定向的 GaN 技术，但其正在对部件进行辐射测试，以确保气能够适用于太空应用。
ST 注意到了GaN 在欧洲航天工业应用中的市场趋势，并指出 GaN 对于 LEO 卫星至关重要，尤其是在负载点以及发电和配电方面。 ST 认为该行业目前处于早期应用阶段，预计未来系统级封装 (SiP) 和片上系统 (SoC) 技术将得到更广泛的应用。
ST 预计，从非关键的 LEO 星网任务开始，功率 GaN 将逐渐取代太空应用中的 Si MOSFET。 此外，在工业和汽车市场发展的推动下，有机会通过升级太空用途来采用一体化的 GaN 解决方案。
ST  致力于通过具有竞争力的价格向大批量客户提供高质量的 GaN 产品，其战略与半导体市场发展方向一致。ST 计划继续推进其 GaN 部署战略，并探索与 SiP 和 SoC 的产品集成。
总体而言，ST 通过提供 GaN 技术以及其他半导体解决方案，在推动欧洲航天工业方面发挥了重要作用，为欧盟航天工业（从近地轨道到深空任务）的增长和竞争力也做出了贡献。
EPC Space
EPC 和 EPC Space 积极参与推进太空应用的 GaN 技术。 过去的四年里，EPC Space 一直致力于开发抗辐射 GaN 器件，包括气密封装和芯片级封装。 EPC 正在进行的研究工作包括有价值的失效物理研究，以增强可靠性预测，使其 GaN 外延技术在太空应用日益稳健。
EPC Space 开发了一系列额定电压为 40 V 至 300 V 的分立式 GaN 器件，采用 8.9 mm^2 至 44.8 mm^2 的各种封装，包括紧凑的芯片级选项，已成功解决了与抗辐射设备中的 SEE 抗扰度相关的挑战。 与欧洲主要太空合作伙伴的合作对于实现这些里程碑具有重要作用。
GaN 技术正蓬勃发展，欧洲公司和欧洲航天局 (ESA) 对其在太空电源应用潜力的兴趣日益增加。EPC Space认为未来GaN 将成为卫星电源设计的标准，提供更高效、更小、更具成本效益的解决方案，从而为欧盟航天工业的竞争力和增长做出重大贡献。
EPC Space 首席执行官拉扎尔表示：“功率 GaN 技术在欧盟是一项新技术，但受到了广泛关注，许多欧盟公司和 ESA 正在进行可靠性测试，来了解有关 GaN 器件的更多信息以及如何将 GaN 有效地用于太空应用中。我们预计将从 2024 年开始向欧盟国家交付 GaN，并在2025 年至 2026 年实现批量交付，GaN将应用于新型太空功率设计。”
新兴初创企业和颠覆性技术
虽然功率 GaN 行业已经涌现出多家初创公司，但这些公司瞄准的往往是需求相对较快的高消耗市场，例如消费类应用。 这意味着这些初创公司不太可能专门针对太空场景开发应用。
在较为成熟的RF GaN行业，近年来新入局者较少，除了镓半导体，但该公司不在欧盟内。RF GaN 行业发展相对成熟，业内公司发展的时间也比较久。截至2023年，出现对欧盟空间应用市场产生重大影响的颠覆性技术或初创公司仍然少之又少。
技术评估和挑战
近年来，GaN在太空应用方面不断取得技术进步和创新，涵盖 GaN 技术的各个方面，包括衬底、器件等，为构建强大的生态系统奠定了坚实基础。
Yole 表示，在衬底方面，SweGaN 是林雪平大学（瑞典）的分立出的公司，专门从事 GaN-on-SiC 衬底的外延，这对于射频和功率应用至关重要。 该技术可实现高质量的 GaN 材料生长，从而提高 GaN 基器件的性能。
Ayari 和 Ghorbel 表示：“在设备方面，Ommic 通过提供能处理高达 Ku/Ka 频段的高频的 RF GaN 功率放大器而脱颖而出。 “其 40、60 和 100 nm 硅基氮化镓先进技术节点能开发高性能射频组件对于空间通信和卫星系统至关重要。”
此外，欧洲 Altum RF 以及中荷 Ampleon 和欧洲 UMS 都是提供 GaN-on-SiC 技术的知名厂商。 由于其卓越的性能特征，SiC 基氮化镓已成为 RF GaN 行业的标准，使其成为空间应用的关键技术。
Yole表示，因为航天工业对地缘政治非常敏感，欧盟一直专注于建设欧洲功率GaN生态系统，包括设计、生产、加工、资格/测试等， EleGaNT、SAGAN 和 SCPS 等组织已获得开展此项工作的资金。这些项目旨在鼓励欧洲 GaN 航天领域的团队开展合作，不断产生新的想法，进而创造尖端技术来满足太空任务所需的质量和可靠性高标准。 Yole Intelligence  表示欧盟 GaN 太空市场蕴含着众多挑战和机遇，尤其是在太空应用方面。
挑战
●制造成本效益高的产品：制造用于太空应用且制造成本低的 GaN 部件是欧盟 GaN 太空市场面临的最大问题之一。 航天工业需要高性能且抗辐射的材料，但是目前难以找到同时具备这些品质且具有成本效益的材料。
●提升供应链稳定性：因为需要从全球供应链采购GaN 材料和零部件，太空项目的开展时常面临风险，因此确保重要GaN零部件的供应链安全可靠是非常困难的。
●监管合规性：航天工业的法规和标准十分严格。 在遵守法规的基础上，突破基于 GaN 系统的技术界限较为困难。
●集成复杂性：将 GaN 技术集成到现有的空间系统和架构中较为困难， 兼容性问题以及详尽测试和验证的要求可能会限制 GaN 的解决方案的应用。
机遇
●卫星通信需求持续增长：对卫星通信的日益关注为欧盟 GaN 太空市场提供了重大机遇。 为了实现先进的卫星通信系统，新太空领域对高性能 GaN 基射频和微波器件的需求不断增长。
●通过卫星实现 5G 覆盖：Space X 计划通过卫星技术提供 5G 覆盖，这为 GaN 器件带来了新机遇。 GaN 放大器和收发器在实现高速、可靠的基于卫星的 5G 连接方面发挥至关重要的作用，尤其是在偏远或服务欠缺的地区。
●全球互联：GaN 技术可以通过在偏远和农村地区提供可靠的电话网络覆盖从而弥合数字鸿沟。 欧盟 GaN 太空市场可以为实现全球互联的世界愿景作出贡献。
●太空探索：GaN 器件可以增强航天器的性能，从而实现先进的科学任务、深空探索和卫星改进。 这些机遇与欧盟在太空探索和技术开发方面的规划是契合的。
●研发与创新：欧盟在半导体技术研发方面有着悠久的传统。 投资 GaN 研究和创新可以使该地区成为先进空间技术的领导者，促进经济增长和技术发展。

监管演变和 GaN 应用：驾驭新空间范式
在日益变化的新航天行业中，对商用现成组件的偏好正重塑监管标准和相关认证。 Yole Intelligence 认为，向更灵活的法规转变以及与汽车等地面应用的进一步集成正在加速 GaN 技术的应用拓展。GaN 的优势在于其能够缩短开发时间并简化传统航天工业中政府机构规定的复杂的资格认证流程。 现有协议主要用于硅技术，但是随着 GaN 的普及，对定制化测试程序的需求逐渐上涨，特别是主要是针对硅技术设计的功率 GaN 器件。 为充分利用这一变革趋势的潜力，从事 GaN 航天领域的企业必须时刻关注趋势并且主动适应监管的调整。

注：本文编译自EE Times