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。