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GaN器件需求在5G時代將迎來爆發式增長
來源:國金證券研報、材料深一度 日期:2019-04-22 瀏覽次數:2326

GaN器件在5G時代需求將迎來爆發式增長

射頻功率放大器(PA)作為射頻前端發射通路的主要器件,通常用于實現發射通道的射頻信號放大。5G將帶動智能移動終端、基站端及IOT設備射頻PA穩健增長,智能移動終端射頻PA市場規模將從2017年的50億美元增長到2023年的70億美元,復合年增長率為7%,高端LTE功率放大器市場的增長,尤其是高頻和超高頻,將彌補2G/3G市場的萎縮。GaAs器件是消費電子3G/4G應用的主力軍,5G時代仍將延續,此外,物聯網將是其未來應用的藍海。GaN器件則以高性能特點目前廣泛應用于基站、雷達、電子戰等軍工領域,在5G 時代需求將迎來爆發式增長。

5G 基站中,PA 數倍增長,GaN大有可為

4G 基站采用 4T4R方案,按照三個扇區,對應的射頻 PA 需求量為 12個,5G 基站,預計64T64R將成為主流方案,對應的PA需求量高達192 個, PA 數量將大幅增長。目前基站用功率 放大器主要為 LDMOS技術,但是 LDMOS技術適用 于低頻段,在高應領域存在局限性。5G 基站 GaN射頻 PA 將成為主流技術,逐漸侵占LDMOS的市場,GaAs器件份額變化不大。GaN能較好的適用于大規模 MIMO,根據Yole的預計 ,2023 年GaN RF在基站中的市場規模將達到5.2億美元,年復合增長率達到22.8%。

就電信市場而言,得益于5G網絡應用的日益臨近,將從2019年開始為 GaN器件帶來巨大的市場機遇。相比現有的硅LDMOS(橫向雙擴散金屬氧化物半導體技術)和GaAs(砷化鎵)解決方案,GaN器件能夠提供下一代高頻電信網絡所需要的功率和效能。而且,GaN的寬帶性能也是實現多頻載波聚合等重要新技術的關鍵因素之一。GaN HEMT(高電子遷移率場效晶體管)已經成為未來宏基站功率放大器的候選技術。

對于既定功率水平,GaN具有體積小的優勢。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的設計變得更加輕松。

GaN具有更小的尺寸優勢

資料來源:國金證券、Qorvo

由于LDMOS無法支持更高的頻率,GaAs也不再是高功率應用的最優方案,預計未來大部分6GHz以下宏網絡單元應用都將采用GaN器件,但小基站中GaAs優勢更明顯 。5G網絡采用的頻段更高,穿透力與覆蓋范圍將比4G更差,因此小基站(small cell)將在5G網絡建設中扮演很重要的角色。不過,由于小基站不需要如此高的功率,GaAs等現有技術仍有其優勢。與此同時,由于更高的頻率降低了每個基站的覆蓋率,因此需要應用更多的晶體管,預計市場出貨量增長速度將加快。

GaN適用于大規模MIMO

GaN芯片每年在功率密度和封裝方面都會取得飛躍,能比較好的適用于大規模MIMO技術。當前的基站技術涉及具有多達8個天線的MIMO配置,以通過簡單的波束形成算法來控制信號,但是大規模MIMO可能需要利用數百個天線來實現5G所需要的數據速率和頻譜效率。大規模MIMO中使用的耗電量大的有源電子掃描陣列(AESA),需要單獨的PA來驅動每個天線元件,這將帶來顯著的尺寸、重量、功率密度和成本(SWaP-C)挑戰。這將始終涉及能夠滿足64個元件和超出MIMO陣列的功率、線性、熱管理和尺寸要求,且在每個發射/接收(T/R)模塊上偏差最小的射頻PA。

GaN-on-SiC更具有優勢

目前市場上還存在兩種技術的競爭: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,而且目前大多數廠商都采用了該技術方案。不過,MACOM等廠商則在極力推動GaN-on-Silicon技術的廣泛應用。未來誰將主導還言之過早,目前來看,GaN-on-silicon仍是GaN-on-SiC解決方案的有力挑戰者。

GaN RF市場的發展方向

GaN制造主要以IDM為主。經過數十年的發展,GaN技術在全球各大洲已經普及。市場領先的廠商主要包括Sumitomo Electric、Wolfspeed(Cree旗下)、Qorvo,以及美國、歐洲和亞洲的許多其它廠商。化合物半導體市場和傳統的硅基半導體產業不同。相比傳統硅工藝,GaN技術的外延工藝要重要的多,會影響其作用區域的品質,對器件的可靠性產生巨大影響。這也是為什么目前市場領先的廠商都具備很強的外延工藝能力,并且為了維護技術秘密,都傾向于將這些工藝放在自己內部生產。盡管如此,Fabless設計廠商通過和代工合作伙伴的合作,發展速度也很快。憑借與代工廠緊密的合作關系以及銷售渠道,NXP和Ampleon等領先廠商或將改變市場競爭格局。

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