1 GaN 放大器的應用優(yōu)勢

　　GaN 放大器介紹

　　GaN 是屬于異質(zhì)結(jié) HEMT（High Electron Mibility Transistro），異質(zhì)結(jié)就是利用一種比 GaN 禁帶寬度更高的(Al,，Ga)GaN 與 GaN 組合在一起,。

　　由于(Al，Ga)GaN 和 GaN 的異質(zhì)結(jié)存在兩種極化效應：自發(fā)極化(RSP)和壓電極化(RPE),，正是由于這兩種極化共同作用,，所以在(Al，Ga)GaN 和 GaN 的界面處產(chǎn)生極化靜電荷,，從而形成兩維電子氣（2DEG:2-D electron gas),，2DEG 的速度比普通的電子快 2.7 倍，因此其擁有更高的工作頻率,。

　　GaN 器件有 Si 基和 SiC 基兩種,，GaN-on-Si 主要應用于電力電子領域，用作高功率開關,，GaN-on-SiC 主要應用于射頻領域,，主要得益于 SiC 的高導熱率以及低 RF loss，適用于功率較大的宏基站,。小基站射頻器件對功率要求較低,，GaN-on-Si 有望憑借其低成本的優(yōu)勢在未來大規(guī)模應用。

　　GaN 放大器的優(yōu)勢

　　GaN屬于第三代半導體材料,，禁帶寬度達到3.4eV,，禁帶寬度越大，耐高電壓和高溫性能越好；電子飽和遷移速度達2.7107cm/s,，高電子飽和漂移速度與低介電常數(shù)的半導體材料具有更高的頻率特性,。

　　GaN的禁帶寬度、電子飽和遷移速度,、擊穿場強和工作溫度遠遠大于Si和GaAs,，具有作為電力電子器件和射頻器件的先天優(yōu)勢。GaN器件相比于目前主流技術——GaAs器件和Si基橫向擴散金屬氧化物半導體器件（LDMOS）,，具有性能優(yōu)勢,。

　　GaAs 材料熱導率較低，散熱較差,，GaAs 器件可承受功率較低,，低于 50W，則 GaAs 適用于終端射頻前端等小功率市場,。LDMOS 器件的缺點是工作頻率存在極限,，LDMOS 放大器帶寬會隨著頻率的增加而大幅減少，僅在不超過約 3.5GHz 的頻率范圍內(nèi)有效,，采用 0.25μm 工藝的 GaN 器件頻率可以達到其 4 倍,，帶寬可增加 20%，功率密度可達 6~8 W/mm,。

　　GaN 擁有較高的熱導率及電子遷移速度,，配合 SiC 襯底，GaN 器件可同時適用高功率和高頻率,。目前商用的 GaN 射頻器件工作頻率可達到 40GHz,，進入 Ka 波段。

　　2 GaN 放大器市場規(guī)模

　　GaN 射頻器件的應用市場包括國防,、衛(wèi)星通信,、無線通信基站，無線通信基站市場是 GaN 射頻器件最大應用市場,。2017 年全球 GaN射頻市場規(guī)模約為 3.5 億-4 億美元,，中國 GaN 射頻市場規(guī)模約為 12億人民幣，約占全球市場近一半需求,，其主要原因是華為,、中興等公司在全球基站設備市場份額占比較大。

　　宏基站對 GaN 放大器需求預測

　　根據(jù)工信部數(shù)據(jù),，截至 2017 年 12 月底,，中國 4G 宏基站數(shù)量為328 萬座，依據(jù)蜂窩通信理論計算,，中國 5G 宏基站數(shù)量約為 500 萬座,，達 4G 基站數(shù)量的 1.5 倍,。

　　根據(jù)三大運營商的資本支出計劃及產(chǎn)業(yè)調(diào)研，預計中國 5G 宏基站建設計劃將于 2019 年正式開始,，約為 10 萬站,，2023 年預計將達到建設頂峰，年建設數(shù)量達 115.2 萬座,。

　　參考目前設備商展開試驗 5G 基站的上游采購價格,，拓璞分析，目前用于 3.5GHz 頻段的 5G 基站,，采用 LDMOS 工藝的功率放大器單扇區(qū)的價格超過了 400 美元,，采用 GaN 工藝的功率放大器價格超過了 700 美元，假設 LDMOS 和 GaN 射頻價格均以 5%的比例遞減,。截止 2018 年 12 月,，中國 4G 基站數(shù)量為 372 萬座，其中中國移動為241 萬站,，占比 64.7%,。

　　5G 授權(quán)頻段方面，中國移動為 2515-2675MHZ和 4800-4900MHZ,，中國電信為 3400-3500MHZ,，中國聯(lián)通為 35003600MHZ，基于成本考慮,，中國移動勢必先建設 2515-2675MHZ 頻段基站。

　　拓璞分析,，5G 基站數(shù)量方面,，中國移動占比超過 50%，前期建設情況下,，LDMOS 放大器擁有一定比例的市場,，推測 GaN 射頻器件約占 50%，預計到 2025 年,，GaN 射頻器件占比 85%以上,。

　　5G 基站天線采用 Massive MIMO 技術，天線和 RRU（射頻拉遠單元）合設,，組成 AAU,。Massive MIMO 天線假設為 64T64R，則單個宏基站天線數(shù)量為 192 個,，放大器數(shù)量為 192 個,。

　　根據(jù)表 3 的測算，GaN 放大器市場需求規(guī)模將在 2023 年迎來頂峰,，達 112.6 億元,，GaN放大器數(shù)量達 17694 萬個，就增速而言，2020 年 YOY 達 340%,。

　　小基站對 GaN 放大器需求預測

　　5G 蜂窩網(wǎng)絡布置有一定的極限,，但是在熱點地區(qū)的網(wǎng)絡需求旺盛，需要在垂直方向上布置以小基站為站點的微蜂窩網(wǎng)絡,。小基站的頻率會高于宏基站（避免造成干擾）,，以 Sub-6GHZ 為主，因此 GaN射頻器件便成了唯一選擇,，依據(jù)賽迪智庫測算的數(shù)據(jù),，中國 5G 網(wǎng)絡小基站需求約為宏基站的 2 倍，即需要 1000 萬站小基站,。以華為LampSite 小基站為例,，天線為單扇 2T2R MIMO，則每個小基站需要2 個放大器,。小基站建設進度假設落后宏基站 1 年,，年度比例以此類推。

　　根據(jù)表 4 的測算,，2024 年小基站端對 GaN 放大器的需求將達到最大規(guī)模,，為 9.4 億元，就增速而言,，2021 年 YOY 達 260%,。

　　中國 5G 網(wǎng)絡對 GaN 放大器需求預測

　　2017 年中國 GaN 射頻市場規(guī)模約為 12 億元，無線通信基站約占 20%,，即 2.4 億元,，2018 年由于 5G 通信試驗基站的建設，基站端GaN 射頻器件同比增長達 75%,，達 4.2 億元,。

　　2019 年為中國 5G 建設元年，基站端 GaN 放大器同比增長達 71.4%,；2020 年為 5G 建設爆發(fā)年,，基站端 GaN 放大器市場規(guī)模達 32.7 億元，同比增長 340.8%,；預計到 2023 年基站端 GaN 放大器市場規(guī)模達 121.7 億元,，但 2021~2023 年同比增速逐漸下降。

　　依據(jù)拓璞分析,，GaN 放大器需求數(shù)量在 2019-2023 年保持快速增長,，2023 年達 18117 萬個，按照 4” GaN 晶圓切 400 個計算,，則需要 GaN 晶圓數(shù)量達 45 萬片,。就增速而言,，2020 年增速最高，YOY達 369%,。