1 GaN 放大器的应用优势

  GaN 放大器介绍

  GaN 是属于异质结 HEMT(High Electron Mibility Transistro),异质结就是利用一种比 GaN 禁带宽度更高的(Al,Ga)GaN 与 GaN 组合在一起。

  由于(Al,Ga)GaN 和 GaN 的异质结存在两种极化效应:自发极化(RSP)和压电极化(RPE),正是由于这两种极化共同作用,所以在(Al,Ga)GaN 和 GaN 的界面处产生极化静电荷,从而形成两维电子气(2DEG:2-D electron gas),2DEG 的速度比普通的电子快 2.7 倍,因此其拥有更高的工作频率。

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  GaN 器件有 Si 基和 SiC 基两种,GaN-on-Si 主要应用于电力电子领域,用作高功率开关,GaN-on-SiC 主要应用于射频领域,主要得益于 SiC 的高导热率以及低 RF loss,适用于功率较大的宏基站。小基站射频器件对功率要求较低,GaN-on-Si 有望凭借其低成本的优势在未来大规模应用。

  GaN 放大器的优势

  GaN属于第三代半导体材料,禁带宽度达到3.4eV,禁带宽度越大,耐高电压和高温性能越好;电子饱和迁移速度达2.7107cm/s,高电子饱和漂移速度与低介电常数的半导体材料具有更高的频率特性。

  GaN的禁带宽度、电子饱和迁移速度、击穿场强和工作温度远远大于Si和GaAs,具有作为电力电子器件和射频器件的先天优势。GaN器件相比于目前主流技术——GaAs器件和Si基横向扩散金属氧化物半导体器件(LDMOS),具有性能优势。

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  GaAs 材料热导率较低,散热较差,GaAs 器件可承受功率较低,低于 50W,则 GaAs 适用于终端射频前端等小功率市场。LDMOS 器件的缺点是工作频率存在极限,LDMOS 放大器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 0.25μm 工艺的 GaN 器件频率可以达到其 4 倍,带宽可增加 20%,功率密度可达 6~8 W/mm。

  GaN 拥有较高的热导率及电子迁移速度,配合 SiC 衬底,GaN 器件可同时适用高功率和高频率。目前商用的 GaN 射频器件工作频率可达到 40GHz,进入 Ka 波段。

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  2 GaN 放大器市场规模

  GaN 射频器件的应用市场包括国防、卫星通信、无线通信基站,无线通信基站市场是 GaN 射频器件最大应用市场。2017 年全球 GaN射频市场规模约为 3.5 亿-4 亿美元,中国 GaN 射频市场规模约为 12亿人民币,约占全球市场近一半需求,其主要原因是华为、中兴等公司在全球基站设备市场份额占比较大。

  宏基站对 GaN 放大器需求预测

  根据工信部数据,截至 2017 年 12 月底,中国 4G 宏基站数量为328 万座,依据蜂窝通信理论计算,中国 5G 宏基站数量约为 500 万座,达 4G 基站数量的 1.5 倍。

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  根据三大运营商的资本支出计划及产业调研,预计中国 5G 宏基站建设计划将于 2019 年正式开始,约为 10 万站,2023 年预计将达到建设顶峰,年建设数量达 115.2 万座。

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  参考目前设备商展开试验 5G 基站的上游采购价格,拓璞分析,目前用于 3.5GHz 频段的 5G 基站,采用 LDMOS 工艺的功率放大器单扇区的价格超过了 400 美元,采用 GaN 工艺的功率放大器价格超过了 700 美元,假设 LDMOS 和 GaN 射频价格均以 5%的比例递减。截止 2018 年 12 月,中国 4G 基站数量为 372 万座,其中中国移动为241 万站,占比 64.7%。

  5G 授权频段方面,中国移动为 2515-2675MHZ和 4800-4900MHZ,中国电信为 3400-3500MHZ,中国联通为 35003600MHZ,基于成本考虑,中国移动势必先建设 2515-2675MHZ 频段基站。

  拓璞分析,5G 基站数量方面,中国移动占比超过 50%,前期建设情况下,LDMOS 放大器拥有一定比例的市场,推测 GaN 射频器件约占 50%,预计到 2025 年,GaN 射频器件占比 85%以上。

  5G 基站天线采用 Massive MIMO 技术,天线和 RRU(射频拉远单元)合设,组成 AAU。Massive MIMO 天线假设为 64T64R,则单个宏基站天线数量为 192 个,放大器数量为 192 个。

  根据表 3 的测算,GaN 放大器市场需求规模将在 2023 年迎来顶峰,达 112.6 亿元,GaN放大器数量达 17694 万个,就增速而言,2020 年 YOY 达 340%。

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  小基站对 GaN 放大器需求预测

  5G 蜂窝网络布置有一定的极限,但是在热点地区的网络需求旺盛,需要在垂直方向上布置以小基站为站点的微蜂窝网络。小基站的频率会高于宏基站(避免造成干扰),以 Sub-6GHZ 为主,因此 GaN射频器件便成了唯一选择,依据赛迪智库测算的数据,中国 5G 网络小基站需求约为宏基站的 2 倍,即需要 1000 万站小基站。以华为LampSite 小基站为例,天线为单扇 2T2R MIMO,则每个小基站需要2 个放大器。小基站建设进度假设落后宏基站 1 年,年度比例以此类推。

  根据表 4 的测算,2024 年小基站端对 GaN 放大器的需求将达到最大规模,为 9.4 亿元,就增速而言,2021 年 YOY 达 260%。

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  中国 5G 网络对 GaN 放大器需求预测

  2017 年中国 GaN 射频市场规模约为 12 亿元,无线通信基站约占 20%,即 2.4 亿元,2018 年由于 5G 通信试验基站的建设,基站端GaN 射频器件同比增长达 75%,达 4.2 亿元。

  2019 年为中国 5G 建设元年,基站端 GaN 放大器同比增长达 71.4%;2020 年为 5G 建设爆发年,基站端 GaN 放大器市场规模达 32.7 亿元,同比增长 340.8%;预计到 2023 年基站端 GaN 放大器市场规模达 121.7 亿元,但 2021~2023 年同比增速逐渐下降。

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  依据拓璞分析,GaN 放大器需求数量在 2019-2023 年保持快速增长,2023 年达 18117 万个,按照 4” GaN 晶圆切 400 个计算,则需要 GaN 晶圆数量达 45 万片。就增速而言,2020 年增速最高,YOY达 369%。

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