5G，氮化镓GaN真的很牛逼
GaN器件1990年开始用于发光二极管中，开启了其商业化大门。作为一种宽禁带半导体，其具有禁带宽度大、击穿场强高、饱和电子迁移速率高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强等特性，适合制作高频、大功率、高密度集成和抗辐射的电子器件，广泛应用智能电网、高速轨道交通等电力电子领域及5G基站、雷达等微波射频领域。根据金智创新的数据，2017年，国内GaN下游中LED、微波射频、电力电子（功率器件）应用占比分别为70%，17%和11%。 在电子器件领域，GaN更适合高频、高功率、低压应用领域。在射频应用方面，相比于GaAs和Si，GaN具有更高的电子饱和漂移速度和更大的禁带宽度，导通损耗较低，适用于大功率、高频的射频应用。在功率半导体应用方面，由于其在高压场景表现不如SiC，因此主要应用在低压领域。具体来看，目前GaN 的优势领域在200-600V 的低压领域，而SiC 主要应用于600V 以上的中高压领域。图 3：目前GaN功率器件主要应用在200-600V的低压领域
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当前射频功率放大器主要有三种工艺：GaAs、GaN和基于Si的LDMOS。前文所述的GaAs 输出功率较低（一般低于50W），主要应用于终端射频前端和微蜂窝基站建设。而GaN和LDMOS输出功率较高，主要应用于宏基站射频单元中。在4G基站建设中，LDMOS器件是市场的主流。预计在5G建设中，GaN器件将逐步成为宏基站应用的主流，此外，军事领域GaN射频市场也将维持高景气，预计GaN在射频功率器件应用中的占比将持续显著提升。1、5G宏基站对射频器件提出了更高的要求。5G给基站建设带来的挑战主要有：1）更高频率和更大带宽：4G的频率范围为1.88GHz-2.635GHz，而5G的Sub-6GHz频段和毫米波频段的频率分别可达到0.45GHz-6GHz和24.25GHz-52.6GHz，分量载波带宽可达100MHz。3）更高功率密度的需求：根据华为，5G 基站的功率将超过11Kw，相比于4G 基站功率提高68%，运营商需要大幅提高功率密度以在相同大小的空间内提供更高的功率。4）更小体积：5GMassive MIMO 和波束成形技术采用阵列天线，器件数量的大幅增加，设备小型化的需求驱动内部器件小型化。2、GaN射频器件能很好的适应5G宏基站的高要求：1）传统的LDMOS 仅在3.5GHz及以下表现良好，无法适应5G 的高频率，而GaN适应的频率范围拓展了40Hz 甚至更高，适应了5G高频的需求。另外，GaN器件更高效率、更高输出阻抗和更低寄生电容能够更容易实现带宽匹配。2）GaN具有软压缩特性，更容易预失真和线性化，实现更高的效率。3）GaN可以做到更高的功率密度，达到LDMOS 器件功率密度的4倍左右。4）体积方面，GaN封装尺寸仅LDMOS的1/4-1/7。3、受益于5G宏基站快速放量，GaN 器件用量有望快速提升。全球主要国家如美日中韩等国都已开启5G商用，基站建设正处于逐步放量阶段。5G宏基站将以64通道的大规模阵列天线为主，按三个扇区计算，单基站PA需求量将高达192个。根据拓墣产业研究院的预测，国内5G宏基站建设将于2023年左右达到高峰，年新增115万个以上，对应PA需求高达2.21亿个。随着GaN器件成本的下降和工艺的成熟，GaN PA渗透率将不断提升，拓墣产业研究院估计2019年5G宏基站PA中GaN占比在50%左右，预计到2023年GaN占比将达到80%，对应112.6亿元国内市场需求。图10：全球主要国家开启5G商用，5G基站建设加速图12：5G宏基站PA数量增长迅速，GaN占比不断提升军用雷达升级体现在两个方面：一是基于GaN的有源电子扫描阵列（AESA）雷达系统替换原有的基于GaAs 的AESA 雷达系统和基于行波管（TWT）的系统。这主要是因为两个方面的原因：一方面GaN的高功率提高了抗干扰能力，扩大了作用距离或搜索范围；另一方面，采用GaN后，较小的孔径就能够形成与不采用GaN的较大孔径相同的作用距离和搜索范围。因此向基于GaN的AESA雷达系统升级成为趋势，各国的军队正在同时升级至AESA雷达和GaN芯片。二是AESA天线架构的升级，下一代AESA天线将在同一个射频前端组合产生不同工作模式，包括雷达、通信和电子战，这将产生更高的单片微波集成电路（MMIC）的需求，对应GaN 的需求也将相应提升。在上述两种因素的驱动下，军用射频市场持续景气。图13：现有雷达系统向基于GaN的AESA雷达系统升级5G宏基站和军事应用爆发有望推动GaN 射频市场高速增长。根据Qorvo 预测，全球基站和军事GaN射频器件市场将分别从2018年的2.1亿美元和2.0亿美元增长到2022年的13.6亿美元和5.2亿美元，CAGR分别为60%和27%，全球GaN射频器件市场规模将从2018年的4.3亿美元达到2022年的19.1亿美元，CAGR约45%。图14：17-22GaN射频器件市场规模预测（亿美元）1）、GaN功率器件技术优势明显：GaN功率器件开关频率高、导通电阻小、电容小、禁带宽度大、耐高温、能量密度高、功率密度大，可在高频情况下保持高效率水平，实现更高效的快充，适合于高功率电子产品。相比较而言，传统硅器件开关速度越快，效率越低，在实现高功率充电上存在技术障碍。
2）、GaN可集成外围驱动，减小整体体积：传统的硅器件是垂直结构，不能集成外围驱动；GaN功率器件是平面架构，可以集成外围驱动和控制电路，将IC体积做小，显著降低成本。图15：GaN相较于硅器件，可同时实现高频率高效率3）、多款GaN充电器问世，产品趋势明显。OPPO在去年11 月成为全球首家推出GaN充电器的手机厂商，但其65W快充仅支持其自有的SuperVOOC快充协议，且接口为USB-A，无法兼容大部分笔记本电脑，仅适合OPPO产品。目前已有多家充电器厂商推出了GaN充电产品。在今年CES2020展上，30 家厂商展出了66 款GaN快充充电器，体积均小于传统充电器，且大部分产品均支持PD、QC等快充协议，配置USB-C 接口。即将发布的Realme X50 Pro 有望采用65W SuperDart 超级闪充GaN充电器。5G手机功耗的提高带来更强烈的快充需求，65W、甚至100W 以上充电器有望快速普及，GaN快充充电器有望成为市场主流。图18：ANKER 在CES展上推出的GaN充电器4）、GaN功率半导体市场高速增长。根据Yole，全球GaN功率半导体市场规模在2018年仅为873万美元，保守预测到2024年将超过3.5亿美元，18-24年的年均复合增长率达到85%。若按乐观的情况估计，苹果、三星、华为等手机厂商同样采用GaN电源适配器，预计2024年全球GaN 功率半导体市场规模将超过7.5亿美元。我们推测，如果笔记本电脑、平板电脑、轻混电动汽车等都采用GaN快充，市场空间有望更大。图19：高功率快充需求推动GaN 功率半导体市场规模快速提升 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-03-05
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