關注 | GaN：高頻性能優越，成為 5G 器件關鍵材料
2021年8月26日 12:00瀏覽：3384
半導體材料研究熱點，GaN 射頻器件應用前景明朗
氮化鎵（GaN）是由氮和鎵組成的一種半導體材料，因為其禁帶寬度大于 2.2eV，故被稱為寬禁帶半導體材料。GaN 材料作為微波功率晶體管的優良材料與藍色光發光器件中的一種具有重要應用價值的半導體，是目前全球半導體研究的前沿和熱點。與傳統半導體材料硅相比，由于 GaN 禁帶寬度是硅的 3-4 倍、熱導率是硅的 2 倍，使得 GaN 器件可在 300℃以上的高溫下工作，能夠承載更高的能量密度，可靠性更高；其擊穿場強比硅高 10 倍，使得器件導通電阻減少，有利于提升器件整體的能效；飽和電子遷移速度是硅的 2-4 倍，因此允許器件更高速地工作。GaN 器件在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面有著廣闊的前景。
GaN 外延片可分為同質外延片與異質外延片。在GaN 單晶襯底上生長的GaN為同質外延片，以GaN 單晶材料作為襯底可以大大提高外延膜的晶體質量，降低錯位密度，提高器件工作壽命。但由于GaN 材料硬度高，熔點高，襯底制作難度高，位錯缺陷密度較高導致良率低，技術進步緩慢。
因此GaN 晶圓的成本仍然居高不下，GaN 厚膜襯底的應用受到限制。除了同質外延片外，GaN 還可以生長在其他襯底材料上，稱之為異質外延片。目前常用的襯底材料包括藍寶石、SiC、硅與金剛石。其中藍寶石GaN 只能用來做LED；硅基GaN（GaN on Si）可以做功率器件和小功率的射頻器件；碳化硅基GaN（GaN on SiC）可以制造大功率LED、功率器件和大功率射頻芯片。GaN on SiC 和 GaN on Si 是未來的主流技術方向。
GaN 器件產業鏈各環節依次為：襯底、材料外延、器件設計與制造及下游應用。目前產業以IDM 企業為主，但是設計與制造環節已經開始出現分工。在上游襯底方面，GaN 襯底大部分由日本公司生產，包括住友電工、三菱化學等。其中，住友電工的市場份額已經超過90%。GaN 外延片相關企業主要有比利時的EpiGaN、英國的IQE、日本的NTT-AT。GaN 器件設計廠商方面，美國的EPC、MACOM、Transphom，德國的Dialog 等為主要參與者。IDM企業中日本的住友電工與美國的Cree 為行業龍頭，市場占有率均超過30%。
亞太地區占據了全球GaN 襯底市場的主要份額。2019 年亞太地區占全球GaN襯底市場的36.34%。由于GaN 終端應用日益普及，Transparency MarketResearch 預計，2019 至2027 年亞太地區將繼續占據主導地位。除亞太地區外，北美與歐洲地區也成為GaN襯底的重要市場，2019年分別占有28.18%、23.94%的市場份額，GaN 在汽車行業中應用為北美與歐洲兩個地區的GaN 市場提供了巨大的機遇。
在應用領域方面，目前GaN 主要應用于射頻器件和電力電子器件的制造。2019年，射頻GaN 的市場規模占GaN 器件整體規模的比重達91%，電力電子GaN市場規模僅占9%。2019 年國內GaN 產業實現高速增長。據CASA 初步統計，2019 年國內GaN 微波射頻產值規模近38 億元，同比增長74%。未來隨著5G商用的擴大，現行廠商將進一步由原先的4G 設備更新至5G。5G 基站的布建密度高于4G，而基站內部使用的材料多為GaN 材料，賽迪顧問預計，到2022 年國內GaN 襯底市場規模將達到5.67 億元。
5G 射頻與基站持續滲透，GaN 在快充領域大放光彩
GaN 作為第三代半導體材料，有更高的禁帶寬度，是迄今理論上電光、光電轉換效率最高的材料體系，下游應用包括微波射頻器件（通信基站等），電力電子器件（電源等），光電器件（LED 照明、激光等），其中光電器件仍是GaN 的主要應用方向。目前GaN 器件多應用于軍工電子，如軍事通訊、電子干擾、雷達等領域；在民用領域，GaN 主要被應用于通訊基站、功率器件等領域。據YoleDevelopment 數據，2019 年全球GaN 功率器件市場規模為1996.4 萬美元，預計GaN 市場將在2025 年達到6.8 億美元以上，CAGR 高達80.04%。隨著5G時代的到來，5G 基站與數據中心的建設將大幅度帶動GaN 射頻與功率器件市場，GaN 在快充等電源控制方面的應用也成為的新的需求增長點。
終端射頻：5G 時代射頻器件要求提高，GaN 器件優勢凸顯透
5G 終端蓄勢待發，大用量規模與技術創新為射頻前端帶來紅利。2020 年，5G已經進入商用部署的快車道。IDC 預計2020 年，中國5G 連接終端用戶將超過2 億，VR/AR 等虛擬現實市場也將在未來三年呈現爆發增長的態勢。Qorvo 表示在未來10 年內，5G 終端將會成為手機產業中發展最快的部分。5G 需要滿足行業海量物聯網設備的通信需求。在人與人的連接場景之外，連接技術與行業數字化場景的融合也將成為5G 通信發展的新機遇。IDC 預測，到2024 年全球物聯網的聯接量將接近650 億，是手機聯接量的11.4 倍，以5G 為代表的蜂窩物聯網技術將發揮重要作用。
5G 時代GaN 射頻市場占比進一步上升，未來將不斷占領LDMOS 市場空間。5G 時代高速增長的數據流量使得調制解調難度不斷增加，需要的頻段越來越多，對射頻前端器件的性能要求也越來越高。目前在射頻前端應用中，硅基LDMOS器件和GaAs 仍是主流器件。通常來說，LDMOS 適用于3.5GHz 以下的應用，GaAs 適用于40GHz 以下的場景，但器件尺寸較大。GaN 在高頻環境下能夠保持高功率輸出，可以有效減少晶體管的數量，從而縮小器件尺寸。從電壓角度來看，LDMOS 的工作電壓約為6V，GaAs 為10V，GaN 可以工作于28V 或更高
的電壓，工作性能優于LDMOS 與GaAs，潛在市場空間巨大。據YoleDevelopment 數據，2015 年射頻功率放大器市場中，LDMOS 市場有率為第一，占比約為50%，GaN 射頻器件約占20%，預計到2025 年，GaN 射頻器件將以55%的占有率取代LDMOS 第一的市場地位，LDMOS 市場占有率則下降至11.8%。GaN 發展勢頭良好，5G 時代中GaN 射頻器件的市場占比將進一步上升。
5G 基站+數據中心：“新基建”重要組成部分，GaN 應用前景明朗
5G 基站射頻系統非常復雜，GaN 器件的小尺寸、高效率和大功率密度等特點可實現高集化的解決方案。5G 射頻系統需要使用高載波頻率和寬頻帶的新技術，包括載波聚合、Massive MIMO 等，GaN 在性能、體積、重量以及效率等方面具備獨特優勢，使其成為高射頻、大功耗應用的技術首選。以Qorvo 的MIMO天線為例，與鍺化硅基MIMO 天線相比，GaN 基MIMO 天線功耗降低了40%，裸片面積減少94%，成本降低80%。據Qorvo 數據顯示，2022 年全球用于Sub-6GHz 頻段的M-MIMO PA 器件年復合增長率將達到135%，用于5G 毫米波頻段的射頻前端模塊年復合增長率將達到119%。
通信基站應用領域中，GaN 是未來最具增長潛質的第三代半導體材料之一。5G基站是“新基建”重要組成部分之一，根據工信部的數據，截至2020 年底國內已建成全球最大5G 網絡，累計建成5G 基站71.8 萬個，推動共建共享5G 基站33 萬個。宏基站建設將會拉動基站端GaN 射頻器件的需求量。由于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。假設Massive MIMO 天線為64T64R，則單個宏基站天線數量為192 個，放大器數量為192 個。考慮到5G 基站的建設周期，拓墣產業研究院預計到2023 年基站端GaN 射頻器件規模達到頂峰，達到112.6 億元。
5G 小基站布局帶動GaN 射頻器件規模增大。5G 的高傳輸速度和廣覆蓋將需要搭建更多更復雜的基站，大量的毫米波微基站、Sub-6GHz 微基站對于GaN 器件的需求也將大幅提升。由于小基站不能對宏基站造成干擾，故頻率較宏基站更高，GaN 射頻器件成為不二之選。據賽迪智庫測算數據，中國5G 網絡小基站需求約為宏基站的2 倍，即需要1000 萬站小基站。按照每個小基站需要2 個放大器，小基站建設進度落后宏基站1 年測算，拓墣產業研究院預計，到2024 年基站端GaN 射頻器件規模達到峰值，市場規模可達9.4 億元。
數據中心電源效率要求提升，GaN 的市場前景明朗。隨著網絡、云計算的發展，新物聯網設備和邊緣計算需求的激增，數據中心重要程度逐漸凸顯。受新冠疫情影響，Gartner 調查顯示，2020 年數據中心基礎設施支出同比下降了10.3%，約60%的新數據中心設施建設受阻。但疫情導致的遠程工作比例提高，實際上數據中心處理的數據量有大幅增長，能源效率與功率、數據密度的需求持續提升。GaN 技術使得電源體積進一步縮小，從而允許在同一機架空間中添加更多的存儲和內存，并使數據中心的功率密度由30 瓦/立方英寸提升至50-60 瓦/立方英寸甚至更高，即無需實際構建更多的數據中心即可增加數據中心的容量。2023年歐盟將提高對數據中心電源效率的要求，將進一步促進GaN 在數據中心中的使用。Gartner 預計2021 年全球最終用戶數據中心基礎設施支出將以6%的增速達到2000 億美元。
消費電子：GaN 快充市場迎來爆發期，音頻應用為新亮點
GaN 電源市場成長動力十足。隨著多端口適配器的興起，OEM 廠商將推出更多GaN 充電器。憑借設備設計、性能等要求的提高，GaN 充電器滿足了便攜、快充等不斷發展的客戶需求，并逐漸轉變為主流標準。從技術角度分析，采用GaN技術的充電器外形尺寸可比傳統的基于硅的充電器減少30-50%，整體系統效率可提升至95%，在相同尺寸和相同輸出功率的情況下，充電器外殼溫度將比傳統充電器更低。此外，GaN 充電器可以使用較小的變壓器和較小的機械散熱器，因此整體重量可減少15-30%。Yole Development 預測，2019 年GaN 電源目標市場約為9000 萬美元，2021 年將達到1.6 億美元，而在2022 年將增長到2.4億美元。2020 年美國CES 展會中，參展的GaN 充電器數量已經多達66 款，涵蓋了18W、30W、65W、100W 等多個功率段，GaN 充電器市場迎來爆發期。
音頻設備為GaN 器件應用新亮點。音頻是一個擁有眾多細分市場的龐大的市場，從專業音響，家庭音響到便攜音響的所有細分市場中，高質量音頻均為首要評判標準。引入GaN D 類放大器的音頻系統能在不需要犧牲聲音質量的前提下，以更小更輕的設計提供更多的功率和更多的通道，滿足消費者市場對出色音質的追求。2020 年，GaN System 發布了一款為高音質12V 音頻系統開發的參考設計，該參考設計有兩個通道，每通道（8 歐姆負載）Class-D 音頻放大器支持200 瓦功率，允許12V 電源升壓到18V 給音頻系統供電，并支持+-32V 輸出。GaN 器件使用，在保證音質的前提下，將這款400 瓦音頻產品的成本和功率輸出能力上做到了很好的平衡。Semiconductor Digest 認為，到2021 年底，音頻市場會有更多品牌配備GaN 音頻放大器和配套電源，對高質量音頻的需求正在推動D類音頻放大器市場的增長。BCC Research 數據顯示，全球D 類音頻放大器市場將從2020 年的24 億美元增長到2025 年的35 億美元，2020-2025 年CAGR為7.7%。
GaN 下游應用行業擁有大量的市場參與者。這些公司包括恩智浦、英飛凌、GaNSystem、Efficient Power、Qorvo、Cree 等。全球GaN 市場的主要參與者通過在銷售、市場和技術方面的密切合作顯示出協同效應。GaN 襯底供應商也通過與同行以及各種研究機構建立戰略聯盟來擴大規模，以建立自己在全球市場的參與者地位。意法半導體在2018 年與CEA-Leti 展開功率GaN 合作，主要涉及常關型氮化鎵HEMT 和氮化鎵二極管設計及研發，并于2020 年3 月收購法國GaN創新企業Exagan 公司的多數股權；2018 年，Cree 收購了英飛凌的RF 部門成
為了全球最大的GaN 射頻器件供應商；
國內企業聞泰科技2019 年以268 億元成功收購行業內唯一量產交付客戶GaN FET 產品的化合物功率半導體公司安世半導體，成為國內首家世界級IDM 半導體公司。
住友電工集團是世界上最著名的通信廠商之一，其光纖光纜產銷量多年來名列世界前列。集團總部位于日本大阪，于1897 年成立，在全球約40 個國家擁有大約28 萬名員工。住友電工自成立以來，一直以電線、電纜的制造技術為基礎，通過獨創性的研究開發和對新事業的不懈挑戰，不斷創造新產品和新技術，擴大事業領域。目前，通過汽車、信息通信、電子、環境能源、產業原材料這五大事業領域，在全球范圍內開展事業。
2017-2021 財年，住友電工營業收入與凈利潤相對穩定，2021 年公司營業收入為29185.80 億日元，凈利潤為563.44 億日，同比均小幅滑落。住友電工毛利率穩定，近5 年始終維持在18%左右，2021 年凈利率為2.36%。
住友電工歷史悠久，公司技術研發緊跟時代發展。早在2000 年，著眼于GaN潛力的公司的技術團隊開始著手開發“GaN HEMT”，并于2005 年實現樣品順利出貨，2006 年開始量產，2007 年該商品被采用于日本國內3G 基站。SEDI在全世界范圍內率先實現了“GaN HEMT”的產品化，并且全力推進低成本化，從而推動了GaN HEMT 在全世界范圍內的廣泛應用。
技術鄰APP
工程師必備
