GaN器件在5G時(shí)代需求將迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)

射頻功率放大器（PA）作為射頻前端發(fā)射通路的主要器件，通常用于實(shí)現(xiàn)發(fā)射通道的射頻信號(hào)放大。5G將帶動(dòng)智能移動(dòng)終端、基站端及IOT設(shè)備射頻PA穩(wěn)健增長(zhǎng)，智能移動(dòng)終端射頻PA市場(chǎng)規(guī)模將從2017年的50億美元增長(zhǎng)到2023年的70億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為7%，高端LTE功率放大器市場(chǎng)的增長(zhǎng)，尤其是高頻和超高頻，將彌補(bǔ)2G/3G市場(chǎng)的萎縮。GaAs器件是消費(fèi)電子3G/4G應(yīng)用的主力軍，5G時(shí)代仍將延續(xù)，此外，物聯(lián)網(wǎng)將是其未來(lái)應(yīng)用的藍(lán)海。GaN器件則以高性能特點(diǎn)目前廣泛應(yīng)用于基站、雷達(dá)、電子戰(zhàn)等軍工領(lǐng)域，在5G 時(shí)代需求將迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。

5G 基站中，PA 數(shù)倍增長(zhǎng)，GaN大有可為

4G 基站采用 4T4R方案，按照三個(gè)扇區(qū)，對(duì)應(yīng)的射頻 PA 需求量為 12個(gè)，5G 基站，預(yù)計(jì)64T64R將成為主流方案，對(duì)應(yīng)的PA需求量高達(dá)192 個(gè)， PA 數(shù)量將大幅增長(zhǎng)。目前基站用功率 放大器主要為 LDMOS技術(shù)，但是 LDMOS技術(shù)適用 于低頻段，在高應(yīng)領(lǐng)域存在局限性。5G 基站 GaN射頻 PA 將成為主流技術(shù)，逐漸侵占LDMOS的市場(chǎng)，GaAs器件份額變化不大。GaN能較好的適用于大規(guī)模 MIMO，根據(jù)Yole的預(yù)計(jì) ，2023 年GaN RF在基站中的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到5.2億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到22.8%。

就電信市場(chǎng)而言，得益于5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益臨近，將從2019年開(kāi)始為 GaN器件帶來(lái)巨大的市場(chǎng)機(jī)遇。相比現(xiàn)有的硅LDMOS（橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)）和GaAs（砷化鎵）解決方案，GaN器件能夠提供下一代高頻電信網(wǎng)絡(luò)所需要的功率和效能。而且，GaN的寬帶性能也是實(shí)現(xiàn)多頻載波聚合等重要新技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。GaN HEMT（高電子遷移率場(chǎng)效晶體管）已經(jīng)成為未來(lái)宏基站功率放大器的候選技術(shù)。

對(duì)于既定功率水平，GaN具有體積小的優(yōu)勢(shì)。有了更小的器件，則可以減小器件電容，從而使得較高帶寬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得更加輕松。

GaN具有更小的尺寸優(yōu)勢(shì)

資料來(lái)源：國(guó)金證券、Qorvo

由于LDMOS無(wú)法支持更高的頻率，GaAs也不再是高功率應(yīng)用的最優(yōu)方案，預(yù)計(jì)未來(lái)大部分6GHz以下宏網(wǎng)絡(luò)單元應(yīng)用都將采用GaN器件，但小基站中GaAs優(yōu)勢(shì)更明顯 。5G網(wǎng)絡(luò)采用的頻段更高，穿透力與覆蓋范圍將比4G更差，因此小基站（small cell）將在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中扮演很重要的角色。不過(guò)，由于小基站不需要如此高的功率，GaAs等現(xiàn)有技術(shù)仍有其優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，由于更高的頻率降低了每個(gè)基站的覆蓋率，因此需要應(yīng)用更多的晶體管，預(yù)計(jì)市場(chǎng)出貨量增長(zhǎng)速度將加快。

GaN適用于大規(guī)模MIMO

GaN芯片每年在功率密度和封裝方面都會(huì)取得飛躍，能比較好的適用于大規(guī)模MIMO技術(shù)。當(dāng)前的基站技術(shù)涉及具有多達(dá)8個(gè)天線(xiàn)的MIMO配置，以通過(guò)簡(jiǎn)單的波束形成算法來(lái)控制信號(hào)，但是大規(guī)模MIMO可能需要利用數(shù)百個(gè)天線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)5G所需要的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率。大規(guī)模MIMO中使用的耗電量大的有源電子掃描陣列（AESA），需要單獨(dú)的PA來(lái)驅(qū)動(dòng)每個(gè)天線(xiàn)元件，這將帶來(lái)顯著的尺寸、重量、功率密度和成本（SWaP-C）挑戰(zhàn)。這將始終涉及能夠滿(mǎn)足64個(gè)元件和超出MIMO陣列的功率、線(xiàn)性、熱管理和尺寸要求，且在每個(gè)發(fā)射/接收（T/R）模塊上偏差最小的射頻PA。

GaN-on-SiC更具有優(yōu)勢(shì)

目前市場(chǎng)上還存在兩種技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)：GaN-on-SiC（碳化硅上氮化鎵）和GaN-on-silicon（硅上氮化鎵）。它們采用了不同材料的襯底，但是具有相似的特性。理論上，GaN-on-SiC具有更好的性能，而且目前大多數(shù)廠商都采用了該技術(shù)方案。不過(guò)，MACOM等廠商則在極力推動(dòng)GaN-on-Silicon技術(shù)的廣泛應(yīng)用。未來(lái)誰(shuí)將主導(dǎo)還言之過(guò)早，目前來(lái)看，GaN-on-silicon仍是GaN-on-SiC解決方案的有力挑戰(zhàn)者。

GaN RF市場(chǎng)的發(fā)展方向

GaN制造主要以IDM為主。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，GaN技術(shù)在全球各大洲已經(jīng)普及。市場(chǎng)領(lǐng)先的廠商主要包括Sumitomo Electric、Wolfspeed（Cree旗下）、Qorvo，以及美國(guó)、歐洲和亞洲的許多其它廠商?；衔锇雽?dǎo)體市場(chǎng)和傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不同。相比傳統(tǒng)硅工藝，GaN技術(shù)的外延工藝要重要的多，會(huì)影響其作用區(qū)域的品質(zhì)，對(duì)器件的可靠性產(chǎn)生巨大影響。這也是為什么目前市場(chǎng)領(lǐng)先的廠商都具備很強(qiáng)的外延工藝能力，并且為了維護(hù)技術(shù)秘密，都傾向于將這些工藝放在自己內(nèi)部生產(chǎn)。盡管如此，F(xiàn)abless設(shè)計(jì)廠商通過(guò)和代工合作伙伴的合作，發(fā)展速度也很快。憑借與代工廠緊密的合作關(guān)系以及銷(xiāo)售渠道，NXP和Ampleon等領(lǐng)先廠商或?qū)⒏淖兪袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局。