5G應(yīng)用的關(guān)鍵材料 淺析GaN產(chǎn)業(yè)鏈

隨著技術(shù)的發(fā)展，終端設(shè)備對(duì)于半導(dǎo)體器件性能、效率、小型化要求的越來越高。特別是隨著5G的即將到來，也進(jìn)一步推動(dòng)了以氮化鎵( GaN)第三代半導(dǎo)體材料的快速發(fā)展。

一、什么是GaN？

GaN是極穩(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)約為1700℃，GaN具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓力下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。

2、GaN 器件逐步步入成熟階段

氮化鎵技術(shù)可以追溯到 1970 年代，美國無線電公司（RCA）開發(fā)了一種氮化鎵工藝來制造 LED。自上世紀(jì)90年代開始，基于GaN的LED大放異彩，目前已是LED的主流?，F(xiàn)在市場(chǎng)上銷售的很多 LED 就是使用藍(lán)寶石襯底的氮化鎵技術(shù)。

除了 LED，氮化鎵也被使用到了功率半導(dǎo)體與射頻器件上?；诘壍墓β?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/137/" target="_blank">芯片正在市場(chǎng)站穩(wěn)腳跟。2010年，第一個(gè)GaN功率器件由IR投入市場(chǎng)，2014年以后，600V GaN HEMT已經(jīng)成為GaN器件主流。2014年，行業(yè)首次在8英寸SiC（碳化硅）上生長(zhǎng)GaN器件。

3、GaN 在電力電子領(lǐng)域與微波射頻領(lǐng)域均有優(yōu)勢(shì)

①、GaN 在電力電子領(lǐng)域：高效率、低損耗與高頻率

高轉(zhuǎn)換效率：GaN的禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場(chǎng)是Si的10倍。因此，同樣額定電壓的GaN開關(guān)功率器件的導(dǎo)通電阻比Si器件低3個(gè)數(shù)量級(jí)，大大降低了開關(guān)的導(dǎo)通損耗。

低導(dǎo)通損耗：GaN的禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場(chǎng)是Si的10倍。因此，同樣額定電壓的GaN開關(guān)功率器件的導(dǎo)通電阻比Si器件低3個(gè)數(shù)量級(jí)，大大降低了開關(guān)的導(dǎo)通損耗。

▲Si 功率器件開關(guān)速度慢，能量損耗大（來源：太平洋證券）

▲GaN 開關(guān)速度快，可大幅度提升效率（來源：太平洋證券整理）

高工作頻率：GaN開關(guān)器件寄生電容小，工作效率可以比Si器件提升至少20倍，大大減小了電路中儲(chǔ)能原件如電容、電感的體積，從而成倍地減少設(shè)備體積，減少銅等貴重原材料的消耗。

②、GaN 在微波射頻領(lǐng)域：高效率、大帶寬與高功率

更高功率：GaN 上的電子具有高飽和速度（在非常高的電場(chǎng)下的電子速度）。結(jié)合大電荷能力，這意味著 GaN 器件可以提供更高的電流密度。RF 功率輸出是電壓和電流擺動(dòng)的乘積，因此更高的電壓和電流密度可以在實(shí)際尺寸的晶體管中產(chǎn)生更高的 RF 功率。在4GHz以上頻段，可以輸出比GaAs高得多的頻率，特別適合雷達(dá)、衛(wèi)星通信、中繼通信等領(lǐng)域。

更高效率：降低功耗，節(jié)省電能，降低散熱成本，降低總運(yùn)行成本。

更大的帶寬：提高信息攜帶量，用更少的器件實(shí)現(xiàn)多頻率覆蓋，降低客戶產(chǎn)品成本。也適用于擴(kuò)頻通信、電子對(duì)抗等領(lǐng)域。

另外值得一提的是，GaN-on-SiC 器件具有出色的熱性能，這主要?dú)w功于 SiC 的高導(dǎo)熱性。實(shí)際上，這意味著 GaN-on-SiC 器件在耗散相同功率時(shí)不會(huì)像 GaAs 或 Si 器件那樣熱。“較冷”設(shè)備意味著更可靠的設(shè)備。

4、與第二代半導(dǎo)體材料GaAs相比優(yōu)勢(shì)明顯

GaN 器件的功率密度是砷化鎵（GaAs）器件的十倍。GaN 器件的更高功率密度使其能夠提供更寬的帶寬，更高的放大器增益和更高的效率，這是由于器件外圍更小。

GaN 場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）器件的工作電壓可以比同類 GaAs 器件高五倍。由于 GaN FET 器件可以在更高的電壓下工作，因此設(shè)計(jì)人員可以更輕松地在窄帶放大器設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。阻抗匹配是以這樣的方式設(shè)計(jì)電負(fù)載的輸入阻抗的實(shí)踐，其最大化從設(shè)備到負(fù)載的功率傳輸。

GaN FET 器件的電流是 GaAs FET 器件的兩倍。由于 GaN FET 器件可提供的電流是 GaAs FET 器件的兩倍，因此 GaN FET 器件具有更高的帶寬能力。大部分的半導(dǎo)體器件對(duì)于溫度的變化都是非常敏感的，為了保證可靠性，半導(dǎo)體的溫度變化必須被控制在一定范圍內(nèi)。熱管理對(duì)于 RF 系統(tǒng)來說尤其重要，因?yàn)樗鼈儽旧砟芰繐p耗就比較高，會(huì)帶來比較嚴(yán)重的散熱問題。GaN 在保持低溫方面有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，另外即使在溫度較高的情況下，相比于硅其性能影響較小。例如 100 萬小時(shí)失效時(shí)間中位數(shù) MTTF 顯示，GaN 比 GaAs 的工作溫度可以高 50 攝氏度。

▲GaAs 與 GaN 的可靠性比較（資料來源：Qorvo, 中銀國際證券）

與其他半導(dǎo)體（如 Si 和 GaAs）相比，GaN 是一種相對(duì)較新的技術(shù)，但它已成為高射頻，高耗電應(yīng)用的首選技術(shù)，如長(zhǎng)距離或高端功率傳輸信號(hào)所需的應(yīng)用 （如雷達(dá)，基站收發(fā)信臺(tái)[BTS]，衛(wèi)星通信，電子戰(zhàn)[EW]等）。

5、隨著成本降低，GaN 市場(chǎng)空間巨大

隨著成本降低，GaN市場(chǎng)空間巨大。GaN與SiC、Si材料各有其優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，但是也有重疊的地方。GaN材料電子飽和漂移速率最高，適合高頻率應(yīng)用場(chǎng)景，但是在高壓高功率場(chǎng)景不如SiC；隨著成本的下降，GaN有望在中低功率領(lǐng)域替代二極管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。以電壓來分，0~300V是Si材料占據(jù)優(yōu)勢(shì)，600V以上是SiC占據(jù)優(yōu)勢(shì)，300V~600V之間則是GaN材料的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。

根據(jù)Yole估計(jì)，在0~900V的低壓市場(chǎng)，GaN都有較大的應(yīng)用潛力，這一塊占據(jù)整個(gè)功率市場(chǎng)約68%的比重，按照整體市場(chǎng)154億美元來看，GaN潛在市場(chǎng)超過100億美元。

GaN RF 市場(chǎng)即將大放異彩。根于 Yole 的預(yù)測(cè)，在通信和國防應(yīng)用的推動(dòng)下 RF GaN 產(chǎn)業(yè)在 2017 年至 2023 年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率將會(huì)達(dá)到的 23％。截至 2017 年底 RF GaN 市場(chǎng)總量接近 3.8 億美元，2023 年將達(dá)到13 億美元以上?；?RF 的 GaN 技術(shù)也在不斷創(chuàng)新以滿足工業(yè)界需求。國防應(yīng)用是 RF GaN 的主要市場(chǎng)領(lǐng)域，這是因?yàn)?GaN 產(chǎn)品具有專業(yè)的高性能要求和低價(jià)格優(yōu)勢(shì)。2017-2018 年間，國防應(yīng)用占 GaN射頻市場(chǎng)總量的 35％以上，目前全球國防市場(chǎng)在 GaN 領(lǐng)域沒有放緩跡象。

二、GaN 市場(chǎng)：射頻是主戰(zhàn)場(chǎng)，5G 是重要機(jī)遇

1、GaN 是射頻器件的合適材料

目前射頻市場(chǎng)主要有三種工藝：GaAs 工藝，基于 Si 的 LDMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝，以及 GaN 工藝。GaAs 器件的缺點(diǎn)是器件功率較低，低于 50W。

LDMOS 器件的缺點(diǎn)是工作頻率存在極限，最高有效頻率在 3GHz 以下。GaN 彌補(bǔ)了GaAs 和 Si 基 LDMOS 兩種老式技術(shù)之間的缺陷，在體現(xiàn) GaAs 高頻性能的同時(shí)，結(jié)合了 Si 基 LDMOS 的功率處理能力。

在射頻 PA 市場(chǎng)， LDMOS PA 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 0.25 微米工藝的 GaN 器件頻率可以高達(dá)其 4 倍，帶寬可增加 20%，功率密度可達(dá) 6~8 W/mm（LDMOS 為 1~2W/mm），且無故障工作時(shí)間可達(dá) 100 萬小時(shí)，更耐用，綜合性能優(yōu)勢(shì)明顯。

在更高的頻段（以及低功率范圍），GaAs PA 是目前市場(chǎng)主流，出貨占比占 9 成以上，與 GaAs RF 器件相比，GaN 優(yōu)勢(shì)主要在于帶隙寬度與熱導(dǎo)率。帶隙寬度方面，GaN 的帶隙電壓高于 GaAs（3.4 eV VS1.42 eV），GaN 器件具有更高的擊穿電壓，能滿足更高的功率需求。熱導(dǎo)率方面，GaN-on-SiC 的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于 GaAs，這意味著器件中的功耗可以更容易地轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境中，散熱性更好。

2、GaN 是 5G 應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

5G 將帶來半導(dǎo)體材料革命性的變化，隨著通訊頻段向高頻遷移，基站和通信設(shè)備需要支持高頻性能的射頻器件，GaN 的優(yōu)勢(shì)將逐步凸顯，這正是前一節(jié)討論的地方。正是這一優(yōu)勢(shì)，使得 GaN 成為 5G 的關(guān)鍵技術(shù)。

在 Massive MIMO 應(yīng)用中，基站收發(fā)信機(jī)上使用大數(shù)量（如 32/64 等）的陣列天線來實(shí)現(xiàn)了更大的無線數(shù)據(jù)流量和連接可靠性，這種架構(gòu)需要相應(yīng)的射頻收發(fā)單元陣列配套，因此射頻器件的數(shù)量將大為增加，使得器件的尺寸大小很關(guān)鍵，利用 GaN 的尺寸小、效率高和功率密度大的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)高集化的解決方案，如模塊化射頻前端器件。除了基站射頻收發(fā)單元陳列中所需的射頻器件數(shù)量大為增加，基站密度和基站數(shù)量也會(huì)大為增加，因此相比 3G、4G 時(shí)代，5G 時(shí)代的射頻器件將會(huì)以幾十倍、甚至上百倍的數(shù)量增加。在 5G 毫米波應(yīng)用上，GaN 的高功率密度特性在實(shí)現(xiàn)相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，可有效減少收發(fā)通道數(shù)及整體方案的尺寸。

2018 年 12 月，Qorvo 發(fā)布行業(yè)首款 28 Ghz GaN 前端模塊 QPF4001 FEM，在單個(gè) MMIC 中集成了高線性度 LNA、低損耗發(fā)射/接收開關(guān)和高增益、高效率多級(jí) PA。針對(duì) 5G 基站架構(gòu)中間隔 28 GHz 的相控陣元件，對(duì)緊湊對(duì)緊湊型 5x4 毫米氣腔層表貼封裝進(jìn)行了優(yōu)化。該模塊采用了 Qorvo 的高效率 0.15 微米 GaN-on-SiC 技術(shù)。

3、GaN 電力電子器件典型應(yīng)用：快充電源

GaN 電力電子器件方面典型應(yīng)用市場(chǎng)是電源設(shè)備。由于結(jié)構(gòu)中包含可以實(shí)現(xiàn)高速性能的異質(zhì)結(jié)二維電子氣，GaN 器件相比于 SiC 器件擁有更高的工作頻率，加之可承受電壓要低于 SiC 器件，所以 GaN 電力電子器件更適合高頻率、小體積、成本敏感、功率要求低的電源領(lǐng)域，如輕量化的消費(fèi)電子電源適配器、無人機(jī)用超輕電源、無線充電設(shè)備等。

GaN 電力電子器件增速最快的是快充市場(chǎng)。2018 年，世界第一家 GaN IC 廠商Navitas 和 Exagan 推出了帶有集成 GaN 解決方案（GaNFast?）的 45W 快速充電電源適配器，此 45W 充電器與 Apple USB-C 充電器相比，兩者功率相差不大，但是體積上完全是不同的級(jí)別，內(nèi)置 GaN 充電器比蘋果充電器體積減少 40%。目前來看，采用GaN 材料的快速充電器已成星火燎原之勢(shì)，有望成為行業(yè)主流。

三、GaN 產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂?/strong>