GaN HEMT——5G 基站射频功放主流

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GaN是极稳定的化合物,具有强的原子键、高的热导率、在Ⅲ-Ⅴ族化合物中电离度是最高的、化学稳定性好,使得GaN 器件比Si 和GaAs 有更强抗辐照能力,同时GaN又是高熔点材料,热传导率高,GaN功率器件通常采用热传导率更优的SiC做衬底,因此GaN功率器件具有较高的结温,能在高温环境下工作。
 
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不同材料体系射频器件功率-频率工作区间
 
GaN将在高功率,高频率射频市场优势明显
 
相比于4G,5G的通信频段往高频波段迁移。目前我国4G网络通信频段以2.6GHz为主,2017年工信部发布了5G系统在3-5GHz频段(中频段)内的频率使用规划,后期会逐步增补6GHz以上的高频段作为容量覆盖。相较于基于Si的横向扩散金属氧化物半导体(Si LDMOS,Lateral Double-diffused Metal-oxideSemiconductor)和GaAs,在基站端GaN射频器件更能有效满足5G的高功率、高通信频段和高效率等要求。
 
目前针对3G和LTE基站市场的功率放大器主要有Si LDMOS和GaAs两种,但LDMOS 功率放大器的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,而GaAs功率放大器虽然能满足高频通信的需求,但其输出功率比GaN器件逊色很多。然而,在移动终端领域GaN射频器件尚未开始规模应用,原因在于较高的生产成本和供电电压。GaN将在高功率,高频率射频市场发挥重要作用。
 
下图展示的是锗化硅和氮化镓的毫米波5G基站MIMO天线方案,左侧展示的是锗化硅基MIMO天线,它有1024个元件,裸片面积是4096平方毫米,辐射功率是65dbm,与之形成鲜明对比的,是右侧氮化镓基MIMO天线,尽管价格较高,但功耗降低了40%,裸片面积减少94%。
 
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根据Yole预测,2018年GaN射频器件市场规模达到4.57亿美元,未来5年复合增长率超过23%。在整个射频应用市场,GaN器件的市场份额将逐渐提高。长期来看,在宏基站和回传领域,凭借高频高功率的性能优势,GaN将逐渐取代LDMOS和GaAs从而占据主导位置;在射频能量领域,LDMOS凭借高功率低成本优势,有望占据主要市场份额;在其他对输出功率要求相对较低的领域,将形成GaAs和GaN共同主导的格局。
 
现阶段在整个射频市场,LDMOS、GaAs和GaN几乎三分天下,但未来LDMOS的市场份额会逐渐缩小,部分市场将被GaN所取代,而GaAs依赖日益增长的小基站带来的需求和较高的国防市场等需求,在2025年之前,其市场份额整体相对稳定。
 
未来5~10年内, GaN将逐步取代LDMOS,并逐渐成为3W 及以上RF功率应用的主流技术。而GaAs将凭借其得到市场验证的可靠性和性价比,将确保其稳定的市场份额。LDMOS的市场份额则会逐步下降,预测期内将降至整体市场规模的15%左右。预测至2023年,GaNRF器件的市场营收预计将达到13亿美元,约占3W以上的RF 功率市场的45%。
 
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2015-2025年射频功率市场不同技术路线的份额占比
 
境外GaN射频器件产业链重点公司及产品进展:
 
目前微波射频领域虽然备受关注,但是由于技术水平较高,专利壁垒过大,因此这个领域的公司相比较电力电子领域和光电子领域并不算很多,但多数都具有较强的科研实力和市场运作能力。
 
Qorvo、CREE、MACOM 73%的产品输出功率集中在10W~100W之间,最大功率达到1500W(工作频率在1.0-1.1GHz,由Qorvo生产),采用的技术主要是GaN/SiC GaN路线。此外,部分企业提供GaN射频模组产品,目前有4家企业对外提供GaN射频放大器的销售,其中Qorvo产品工作频率范围最大,最大工作频率可达到31GHz。Skyworks产品工作频率较小,主要集中在0.05-1.218GHz之间。
 
大陆GaN射频器件产业链重点公司及产品进展:
 
欧美国家出于对我国技术发展速度的担忧及遏制我国新材料技术的发展想法,在第三代半导体材料方面,对我国进行几乎全面技术封锁和材料封锁。在此情况下,我国科研机构和企业单位立足自主创新,目前在GaN微波射频领域已取得显著成效,在军事国防领域和民用通信领域两个领域进行突破,打造了中电科13所、中电科55所、中兴通信、大唐移动等重点企业以及中国移动、中国联通等大客户。
 
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