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5G应用的关键材料,一文看懂GaN产业链!(中)

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发表于 2019-5-8 02:36:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
5、随着成本降低,GaN 市场空间巨大

随着成本降低,GaN市场空间巨大。GaN与SiC、Si材料各有其优势领域,但是也有重叠的地方。GaN材料电子饱和漂移速率最高,适合高频率应用场景,但是在高压高功率场景不如SiC;随着成本的下降,GaN有望在中低功率领域替代二极管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。以电压来分,0~300V是Si材料占据优势,600V以上是SiC占据优势,300V~600V之间则是GaN材料的优势领域。
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根据Yole估计,在0~900V的低压市场,GaN都有较大的应用潜力,这一块占据整个功率市场约68%的比重,按照整体市场154亿美元来看,GaN潜在市场超过100亿美元。
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GaN RF 市场即将大放异彩。根于 Yole 的预测,在通信和国防应用的推动下 RF GaN 产业在 2017 年至 2023 年期间的复合年增长率将会达到的 23%。截至 2017 年底 RF GaN 市场总量接近 3.8 亿美元,2023 年将达到13 亿美元以上。基于 RF 的 GaN 技术也在不断创新以满足工业界需求。国防应用是 RF GaN 的主要市场领域,这是因为 GaN 产品具有专业的高性能要求和低价格优势。2017-2018 年间,国防应用占 GaN射频市场总量的 35%以上,目前全球国防市场在 GaN 领域没有放缓迹象。
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二、GaN 市场:射频是主战场,5G 是重要机遇

1、GaN 是射频器件的合适材料

目前射频市场主要有三种工艺:GaAs 工艺,基于 Si 的 LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)工艺,以及 GaN 工艺。GaAs 器件的缺点是器件功率较低,低于 50W。

LDMOS 器件的缺点是工作频率存在极限,最高有效频率在 3GHz 以下。GaN 弥补了GaAs 和 Si 基 LDMOS 两种老式技术之间的缺陷,在体现 GaAs 高频性能的同时,结合了 Si 基 LDMOS 的功率处理能力。

在射频 PA 市场, LDMOS PA 带宽会随着频率的增加而大幅减少,仅在不超过约3.5GHz 的频率范围内有效,采用 0.25 微米工艺的 GaN 器件频率可以高达其 4 倍,带宽可增加 20%,功率密度可达 6~8 W/mm(LDMOS 为 1~2W/mm),且无故障工作时间可达 100 万小时,更耐用,综合性能优势明显。
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在更高的频段(以及低功率范围),GaAs PA 是目前市场主流,出货占比占 9 成以上,与 GaAs RF 器件相比,GaN 优势主要在于带隙宽度与热导率。带隙宽度方面,GaN 的带隙电压高于 GaAs(3.4 eV VS1.42 eV),GaN 器件具有更高的击穿电压,能满足更高的功率需求。热导率方面,GaN-on-SiC 的热导率远高于 GaAs,这意味着器件中的功耗可以更容易地转移到周围环境中,散热性更好。
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2、GaN 是 5G 应用中的关键技术

5G 将带来半导体材料革命性的变化,随着通讯频段向高频迁移,基站和通信设备需要支持高频性能的射频器件,GaN 的优势将逐步凸显,这正是前一节讨论的地方。正是这一优势,使得 GaN 成为 5G 的关键技术。

在 Massive MIMO 应用中,基站收发信机上使用大数量(如 32/64 等)的阵列天线来实现了更大的无线数据流量和连接可靠性,这种架构需要相应的射频收发单元阵列配套,因此射频器件的数量将大为增加,使得器件的尺寸大小很关键,利用 GaN 的尺寸小、效率高和功率密度大的特点可实现高集化的解决方案,如模块化射频前端器件。除了基站射频收发单元陈列中所需的射频器件数量大为增加,基站密度和基站数量也会大为增加,因此相比 3G、4G 时代,5G 时代的射频器件将会以几十倍、甚至上百倍的数量增加。在 5G 毫米波应用上,GaN 的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下,可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。
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2018 年 12 月,Qorvo 发布行业首款 28 Ghz GaN 前端模块 QPF4001 FEM,在单个 MMIC 中集成了高线性度 LNA、低损耗发射/接收开关和高增益、高效率多级 PA。针对 5G 基站架构中间隔 28 GHz 的相控阵元件,对紧凑对紧凑型 5x4 毫米气腔层表贴封装进行了优化。该模块采用了 Qorvo 的高效率 0.15 微米 GaN-on-SiC 技术。
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