1 GaN 放大器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

　　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(yīng)：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(yīng)用于電力電子領(lǐng)域，用作高功率開關(guān)，GaN-on-SiC 主要應(yīng)用于射頻領(lǐng)域，主要得益于 SiC 的高導(dǎo)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(duì)功率要求較低，GaN-on-Si 有望憑借其低成本的優(yōu)勢(shì)在未來大規(guī)模應(yīng)用。

　　GaN 放大器的優(yōu)勢(shì)

　　GaN屬于第三代半導(dǎo)體材料，禁帶寬度達(dá)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(dá)2.7107cm/s，高電子飽和漂移速度與低介電常數(shù)的半導(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)和工作溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shì)。GaN器件相比于目前主流技術(shù)——GaAs器件和Si基橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體器件（LDMOS），具有性能優(yōu)勢(shì)。

　　GaAs 材料熱導(dǎo)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(chǎng)。LDMOS 器件的缺點(diǎn)是工作頻率存在極限，LDMOS 放大器帶寬會(huì)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(dá)到其 4 倍，帶寬可增加 20%，功率密度可達(dá) 6~8 W/mm。

　　GaN 擁有較高的熱導(dǎo)率及電子遷移速度，配合 SiC 襯底，GaN 器件可同時(shí)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(dá)到 40GHz，進(jìn)入 Ka 波段。

　　2 GaN 放大器市場(chǎng)規(guī)模

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

　　宏基站對(duì) GaN 放大器需求預(yù)測(cè)

　　根據(jù)工信部數(shù)據(jù)，截至 2017 年 12 月底，中國(guó) 4G 宏基站數(shù)量為328 萬(wàn)座，依據(jù)蜂窩通信理論計(jì)算，中國(guó) 5G 宏基站數(shù)量約為 500 萬(wàn)座，達(dá) 4G 基站數(shù)量的 1.5 倍。

　　根據(jù)三大運(yùn)營(yíng)商的資本支出計(jì)劃及產(chǎn)業(yè)調(diào)研，預(yù)計(jì)中國(guó) 5G 宏基站建設(shè)計(jì)劃將于 2019 年正式開始，約為 10 萬(wàn)站，2023 年預(yù)計(jì)將達(dá)到建設(shè)頂峰，年建設(shè)數(shù)量達(dá) 115.2 萬(wàn)座。

　　參考目前設(shè)備商展開試驗(yàn) 5G 基站的上游采購(gòu)價(jià)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(jià)格超過了 400 美元，采用 GaN 工藝的功率放大器價(jià)格超過了 700 美元，假設(shè) LDMOS 和 GaN 射頻價(jià)格均以 5%的比例遞減。截止 2018 年 12 月，中國(guó) 4G 基站數(shù)量為 372 萬(wàn)座，其中中國(guó)移動(dòng)為241 萬(wàn)站，占比 64.7%。

　　5G 授權(quán)頻段方面，中國(guó)移動(dòng)為 2515-2675MHZ和 4800-4900MHZ，中國(guó)電信為 3400-3500MHZ，中國(guó)聯(lián)通為 35003600MHZ，基于成本考慮，中國(guó)移動(dòng)勢(shì)必先建設(shè) 2515-2675MHZ 頻段基站。

　　拓璞分析，5G 基站數(shù)量方面，中國(guó)移動(dòng)占比超過 50%，前期建設(shè)情況下，LDMOS 放大器擁有一定比例的市場(chǎng)，推測(cè) GaN 射頻器件約占 50%，預(yù)計(jì)到 2025 年，GaN 射頻器件占比 85%以上。

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

　　根據(jù)表 3 的測(cè)算，GaN 放大器市場(chǎng)需求規(guī)模將在 2023 年迎來頂峰，達(dá) 112.6 億元，GaN放大器數(shù)量達(dá) 17694 萬(wàn)個(gè)，就增速而言，2020 年 YOY 達(dá) 340%。

　　小基站對(duì) GaN 放大器需求預(yù)測(cè)

　　5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)布置有一定的極限，但是在熱點(diǎn)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)需求旺盛，需要在垂直方向上布置以小基站為站點(diǎn)的微蜂窩網(wǎng)絡(luò)。小基站的頻率會(huì)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(kù)測(cè)算的數(shù)據(jù)，中國(guó) 5G 網(wǎng)絡(luò)小基站需求約為宏基站的 2 倍，即需要 1000 萬(wàn)站小基站。以華為L(zhǎng)ampSite 小基站為例，天線為單扇 2T2R MIMO，則每個(gè)小基站需要2 個(gè)放大器。小基站建設(shè)進(jìn)度假設(shè)落后宏基站 1 年，年度比例以此類推。

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

　　中國(guó) 5G 網(wǎng)絡(luò)對(duì) GaN 放大器需求預(yù)測(cè)

　　2017 年中國(guó) GaN 射頻市場(chǎng)規(guī)模約為 12 億元，無(wú)線通信基站約占 20%，即 2.4 億元，2018 年由于 5G 通信試驗(yàn)基站的建設(shè)，基站端GaN 射頻器件同比增長(zhǎng)達(dá) 75%，達(dá) 4.2 億元。

　　2019 年為中國(guó) 5G 建設(shè)元年，基站端 GaN 放大器同比增長(zhǎng)達(dá) 71.4%；2020 年為 5G 建設(shè)爆發(fā)年，基站端 GaN 放大器市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 32.7 億元，同比增長(zhǎng) 340.8%；預(yù)計(jì)到 2023 年基站端 GaN 放大器市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 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(zhǎng)，2023 年達(dá) 18117 萬(wàn)個(gè)，按照 4” GaN 晶圓切 400 個(gè)計(jì)算，則需要 GaN 晶圓數(shù)量達(dá) 45 萬(wàn)片。就增速而言，2020 年增速最高，YOY達(dá) 369%。