5G应用的关键材料，一文看懂GaN产业链！（中）

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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。


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。


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。

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。



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。



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。



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。