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5G基站,PA數倍增長,GaN大有可為
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5G基站,射頻PA需求大幅增長
5G基站PA數量有望增長16倍。4G 基站採用4T4R方案,按照三個磁區,對應的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。

5G基站射頻PA有望量價齊升。目前基站用功率放大器主要為基於矽的橫向擴散金屬氧化物半導體LDMOS技術,不過LDMOS技術僅適用於低頻段,在高頻應用領域存在局限性。對於5G 基站PA的一些要求可能包括3~6GHz和24GHz~40GHz的運行頻率,RF功率在0.2W~30W之間,預計5G基站GaN射頻PA將逐漸成為主導技術,而GaN價格高於LDMOS和GaAs。

GaN具有優異的高功率密度和高頻特性。提高功率放大器RF功率的最簡單的方式就是增加電壓,這讓氮化鎵電晶體技術極具吸引力。如果我們對比不同半導體工藝技術,就會發現功率通常會如何隨著高工作電壓IC技術而提高。矽鍺(SiGe)技術採用相對較低的工作電壓(2V至3V),但其集成優勢非常有吸引力。GaAs擁有微波頻率和5V至7V的工作電壓,多年來一直廣泛應用於功率放大器。矽基LDMOS技術的工作電壓為28V,已經在電信領域使用了許多年,但其主要在4GHz以下頻率發揮作用,因此在寬頻應用中的使用並不廣泛。新興GaN技術的工作電壓為28V至50V,優勢在於更高功率密度及更高截止頻率(CutoffFrequency,輸出訊號功率超出或低於傳導頻率時輸出訊號功率的頻率),擁有低損耗、高熱傳導基板,開啟了一系列全新的可能應用,尤其在5G多輸入輸出(Massive MIMO)應用中,可實現高整合性解決方案。

典型的GaN射頻器件的加工工藝,主要包括如下環節:外延生長-器件隔離-歐姆接觸(製作源極、漏極)-氮化物鈍化-柵極製作-場板製作-襯底減薄-襯底通孔等環節。

GaN材料已成為基站PA的有力候選技術。GaN是極穩定的化合物,具有強的原子鍵、高的熱導率、在Ⅲ-Ⅴ族化合物中電離度是最高的、化學穩定性好,使得GaN器件比Si和GaAs有更強抗輻照能力,同時GaN又是高熔點材料,熱傳導率高,GaN功率器件通常採用熱傳導率更優的SiC做襯底,因此GaN功率器件具有較高的結溫,能在高溫環境下工作。GaN高電子遷移率電晶體(HEMT)憑藉其固有的高擊穿電壓、高功率密度、大頻寬和高效率,已成為基站PA的有力候選技術。

GaN射頻器件更能有效滿足5G的高功率、高通信頻段和高效率等要求。相較於基於Si的橫向擴散金屬氧化物半導體(Si LDMOS,LateralDouble-diffused Metal-oxide Semiconductor)和GaAs,在基站端GaN射頻器件更能有效滿足5G的高功率、高通信頻段和高效率等要求。目前針對3G和LTE基站市場的功率放大器主要有Si LDMOS和GaAs兩種,但LDMOS功率放大器的頻寬會隨著頻率的增加而大幅減少,僅在不超過約3.5GHz的頻率範圍內有效,而GaAs功率放大器雖然能滿足高頻通信的需求,但其輸出功率比GaN器件遜色很多。在5G高集成的Massive MIMO應用中,它可實現高集成化的解決方案,如模組化射頻前端器件。

在毫米波應用上,GaN的高功率密度特性在實現相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下,可有效減少收發通道數及整體方案的尺寸。實現性能成本的最優化組合。隨著5G時代的到來,小基站及Massive MIMO的飛速發展,會對集成度要求越來越高,GaN自有的先天優勢會加速功率器件集成化的進程。5G會帶動GaN這一產業的飛速發展。然而,在移動終端領域GaN射頻器件尚未開始規模應用,原因在於較高的生產成本和供電電壓。GaN將在高功率,高頻率射頻市場發揮重要作用。

GaN射頻PA有望成為5G基站主流技術
預測未來大部分6GHz以下巨集網路單元應用都將採用GaN器件,小基站GaAs優勢更明顯。就電信市場而言,得益於5G網路應用的日益臨近,將從2019年開始為GaN器件帶來巨大的市場機遇。相比現有的矽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路所需要的功率和效能。而且,GaN的寬頻性能也是實現多頻帶載波聚合等重要新技術的關鍵因素之一。GaN HEMT(高電子遷移率場效電晶體)已經成為未來宏基站功率放大器的候選技術。由於LDMOS無法再支援更高的頻率,GaAs也不再是高功率應用的最優方案,預計未來大部分6GHz以下巨集網路單元應用都將採用GaN器件。5G網路採用的頻段更高,穿透力與覆蓋範圍將比4G 更差,因此小基站(small cell)將在5G網路建設中扮演很重要的角色。不過,由於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,由於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電晶體,預計市場出貨量增長速度將加快。

預計到2025年GaN將主導RF功率器件市場,搶佔基於矽LDMOS技術的基站PA市場。根據Yole的資料,2014年基站RF功率器件市場規模為11億美元,其中GaN占比11%,而橫向雙擴散金屬氧化物半導體技術(LDMOS)占比88%。2017年,GaN市場份額預估增長到了25%,並且預計將繼續保持增長。預計到2025年GaN將主導RF功率器件市場,搶佔基於矽LDMOS技術的基站PA市場。

對於既定功率水準,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,從而使得較高頻寬系統的設計變得更加輕鬆。
氮化鎵基MIMO天線功耗可降低40%。下圖展示的是鍺化矽和氮化鎵的毫米波5G基站MIMO天線方案,左側展示的是鍺化矽基MIMO天線,它有1024個元件,裸片面積是4096平方毫米,輻射功率是65dbm,與之形成鮮明對比的,是右側氮化鎵基MIMO天線,儘管價格較高,但功耗降低了40%,裸片面積減少94%。

GaN適用於大規模MIMO。GaN晶片每年在功率密度和封裝方面都會取得飛躍,能比較好的適用於大規模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演算法來控制信號,但是大規模MIMO可能需要利用數百個天線來實現5G所需要的資料速率和頻譜效率。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)模組上偏差最小的射頻PA。

MIMO PA年複合增長率將達到135%。預計2022 年,4G/ 5G基礎設施用RF 半導體的市場規模將達到16億美元,其中,MIMO PA年複合增長率將達到135%,射頻前端模組的年複合增長率將達到119%。

預計未來5~10年,GaN將成為3W及以上RF功率應用的主流技術。根據Yole預測,2017年,全球GaN射頻市場規模約為3.84億美元,在3W以上(不含手機PA)的RF射頻市場的滲透率超過20%。GaN在基站、雷達和航空應用中,正逐步取代LDMOS。隨著資料通訊、更高運行頻率和頻寬的要求日益增長,GaN在基站和無線回程中的應用持續攀升。在未來的網路設計中,針對載波聚合和大規模輸入輸出(MIMO)等新技術,GaN將憑藉其高效率和高寬頻性能,相比現有的LDMOS處於更有利的位置。未來5~10年內,預計GaN將逐步取代LDMOS,並逐漸成為3W及以上RF功率應用的主流技術。而GaAs將憑藉其得到市場驗證的可靠性和性價比,將確保其穩定的市場份額。LDMOS的市場份額則會逐步下降,預測期內將降至整體市場規模的15%左右。

到2023年,GaN RF器件市場規模達到13億美元,約占3W以上的RF功率市場的45%。截止2018年底,整個RF GaN市場規模接近4.85億美元。未來大多數低於6GHz的巨集網路單元實施將使用GaN器件,無線基礎設施應用占比將進一步提高至近43%。

RF GaN市場的發展方向
GaN技術主要以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 科銳旗下)、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矽基半導體產業不同。相比傳統矽工藝,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。這也是為什麼目前市場領先的廠商都具備很強的外延工藝能力,並且為了維護技術秘密,都傾向於將這些工藝放在自己內部生產。

GaN-on-SiC更具有優勢。儘管如此,Fabless設計廠商通過和代工合作夥伴的合作,發展速度也很快。憑藉與代工廠緊密的合作關係以及銷售管道,NXP和Ampleon等領先廠商或將改變市場競爭格局。同時,目前市場上還存在兩種技術的競爭:GaN-on-SiC(碳化矽上氮化鎵)和GaN-on-Silicon(矽上氮化鎵)。它們採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採用了該技術方案。不過,M/A-COM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。

全球GaN射頻器件產業鏈競爭格局
GaN微波射頻器件產品推出速度明顯加快。目前微波射頻領域雖然備受關注,但是由於技術水準較高,專利壁壘過大,因此這個領域的公司相比較電力電子領域和光電子領域並不算很多,但多數都具有較強的科研實力和市場運作能力。GaN微波射頻器件的商業化供應發展迅速。據材料深一度對Mouser資料統計分析顯示,截至2018年4月,共有4家廠商推出了150個品類的GaN HEMT, 占整個射頻電晶體供應品類的9.9%,較1月增長了0.6%。

Qorvo產品工作頻率範圍最大,Skyworks產品工作頻率較小。Qorvo、CREE、MACOM73%的產品輸出功率集中在10W~100W之間,最大功率達到1500W(工作頻率在1.0-1.1GHz,由Qorvo生產),採用的技術主要是GaN/SiC GaN路線。此外,部分企業提供GaN射頻模組產品,目前有4家企業對外提供GaN射頻放大器的銷售,其中Qorvo產品工作頻率範圍最大,最大工作頻率可達到31GHz。Skyworks產品工作頻率較小,主要集中在0.05-1.218GHz之間。

Qorvo射頻放大器的產品類別最多。在中國工信部公佈的2個5G工作頻段(3.3-3.6GHz、4.8-5GHz)內,Qorvo公司推出的射頻放大器的產品類別最多,最高功率分別高達100W和 80W(1月份Qorvo在4.8-5GHz的產品最高功率為60W),ADI在4.8-5GHz的產品最高功率提高到50W(之前產品的最高功率不到40W),其他產品的功率大部分在50W以下。(責編:June)

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