5G基站，射频PA需求大幅增长

　　5G基站PA数量有望增长16倍。4G 基站采用4T4R方案，按照三个扇区，对应的PA需求量为12个，5G基站，预计64T64R将成为主流方案，对应的PA需求量高达192个，PA数量将大幅增长。

　　5G基站射频PA有望量价齐升。目前基站用功率放大器主要为基于硅的横向扩散金属氧化物半导体LDMOS技术，不过LDMOS技术仅适用于低频段，在高频应用领域存在局限性。对于5G 基站PA的一些要求可能包括3~6GHz和24GHz~40GHz的运行频率，RF功率在0.2W~30W之间，预计5G基站GaN射频PA将逐渐成为主导技术，而GaN价格高于LDMOS和GaAs。

　　GaN具有优异的高功率密度和高频特性。提高功率放大器RF功率的最简单的方式就是增加电压，这让氮化镓晶体管技术极具吸引力。如果我们对比不同半导体工艺技术，就会发现功率通常会如何随着高工作电压IC技术而提高。硅锗(SiGe)技术采用相对较低的工作电压(2V至3V)，但其集成优势非常有吸引力。GaAs拥有微波频率和5V至7V的工作电压，多年来一直广泛应用于功率放大器。硅基LDMOS技术的工作电压为28V，已经在电信领域使用了许多年，但其主要在4GHz以下频率发挥作用，因此在宽带应用中的使用并不广泛。新兴GaN技术的工作电压为28V至50V，优势在于更高功率密度及更高截止频率(CutoffFrequency，输出讯号功率超出或低于传导频率时输出讯号功率的频率)，拥有低损耗、高热传导基板，开启了一系列全新的可能应用，尤其在5G多输入输出(Massive MIMO)应用中，可实现高整合性解决方案。

　　典型的GaN射频器件的加工工艺，主要包括如下环节：外延生长-器件隔离-欧姆接触(制作源极、漏极)-氮化物钝化-栅极制作-场板制作-衬底减薄-衬底通孔等环节。

　　GaN材料已成为基站PA的有力候选技术。GaN是极稳定的化合物，具有强的原子键、高的热导率、在Ⅲ-Ⅴ族化合物中电离度是最高的、化学稳定性好，使得GaN器件比Si和GaAs有更强抗辐照能力，同时GaN又是高熔点材料，热传导率高，GaN功率器件通常采用热传导率更优的SiC做衬底，因此GaN功率器件具有较高的结温，能在高温环境下工作。GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)凭借其固有的高击穿电压、高功率密度、大带宽和高效率，已成为基站PA的有力候选技术。

　　GaN射频器件更能有效满足5G的高功率、高通信频段和高效率等要求。相较于基于Si的横向扩散金属氧化物半导体(Si LDMOS，LateralDouble-diffused Metal-oxide Semiconductor)和GaAs，在基站端GaN射频器件更能有效满足5G的高功率、高通信频段和高效率等要求。目前针对3G和LTE基站市场的功率放大器主要有Si LDMOS和GaAs两种，但LDMOS功率放大器的带宽会随着频率的增加而大幅减少，仅在不超过约3.5GHz的频率范围内有效，而GaAs功率放大器虽然能满足高频通信的需求，但其输出功率比GaN器件逊色很多。在5G高集成的Massive MIMO应用中，它可实现高集成化的解决方案，如模块化射频前端器件。

　　在毫米波应用上，GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。实现性能成本的最优化组合。随着5G时代的到来，小基站及Massive MIMO的飞速发展，会对集成度要求越来越高，GaN自有的先天优势会加速功率器件集成化的进程。5G会带动GaN这一产业的飞速发展。然而，在移动终端领域GaN射频器件尚未开始规模应用，原因在于较高的生产成本和供电电压。GaN将在高功率，高频率射频市场发挥重要作用。

　　GaN射频PA有望成为5G基站主流技术

　　预测未来大部分6GHz以下宏网络单元应用都将采用GaN器件，小基站GaAs优势更明显。就电信市场而言，得益于5G网络应用的日益临近，将从2019年开始为GaN器件带来巨大的市场机遇。相比现有的硅LDMOS(横向双扩散金属氧化物半导体技术)和GaAs(砷化镓)解决方案，GaN器件能够提供下一代高频电信网络所需要的功率和效能。而且，GaN的宽带性能也是实现多频带载波聚合等重要新技术的关键因素之一。GaN HEMT(高电子迁移率场效晶体管)已经成为未来宏基站功率放大器的候选技术。由于LDMOS无法再支持更高的频率，GaAs也不再是高功率应用的最优方案，预计未来大部分6GHz以下宏网络单元应用都将采用GaN器件。5G网络采用的频段更高，穿透力与覆盖范围将比4G 更差，因此小基站(small cell)将在5G网络建设中扮演很重要的角色。不过，由于小基站不需要如此高的功率，GaAs等现有技术仍有其优势。与此同时，由于更高的频率降低了每个基站的覆盖率，因此需要应用更多的晶体管，预计市场出货量增长速度将加快。

　　预计到2025年GaN将主导RF功率器件市场，抢占基于硅LDMOS技术的基站PA市场。根据Yole的数据，2014年基站RF功率器件市场规模为11亿美元，其中GaN占比11%，而横向双扩散金属氧化物半导体技术(LDMOS)占比88%。2017年，GaN市场份额预估增长到了25%，并且预计将继续保持增长。预计到2025年GaN将主导RF功率器件市场，抢占基于硅LDMOS技术的基站PA市场。

　　对于既定功率水平，GaN具有体积小的优势。有了更小的器件，则可以减小器件电容，从而使得较高带宽系统的设计变得更加轻松。

　　氮化镓基MIMO天线功耗可降低40%。下图展示的是锗化硅和氮化镓的毫米波5G基站MIMO天线方案，左侧展示的是锗化硅基MIMO天线，它有1024个元件，裸片面积是4096平方毫米，辐射功率是65dbm，与之形成鲜明对比的，是右侧氮化镓基MIMO天线，尽管价格较高，但功耗降低了40%，裸片面积减少94%。

　　GaN适用于大规模MIMO。GaN芯片每年在功率密度和封装方面都会取得飞跃，能比较好的适用于大规模MIMO技术。当前的基站技术涉及具有多达8个天线的MIMO配置，以通过简单的波束形成算法来控制信号，但是大规模MIMO可能需要利用数百个天线来实现5G所需要的数据速率和频谱效率。大规模MIMO中使用的耗电量大的有源电子扫描阵列(AESA)，需要单独的PA 来驱动每个天线元件，这将带来显著的尺寸、重量、功率密度和成本(SWaP-C)挑战。这将始终涉及能够满足64个元件和超出MIMO阵列的功率、线性、热管理和尺寸要求，且在每个发射/接收(T/R)模块上偏差最小的射频PA。

　　MIMO PA年复合增长率将达到135%。预计2022 年，4G/ 5G基础设施用RF 半导体的市场规模将达到16亿美元，其中，MIMO PA年复合增长率将达到135%，射频前端模块的年复合增长率将达到119%。

　　预计未来5～10年，GaN将成为3W及以上RF功率应用的主流技术。根据Yole预测，2017年，全球GaN射频市场规模约为3.84亿美元，在3W以上(不含手机PA)的RF射频市场的渗透率超过20%。GaN在基站、雷达和航空应用中，正逐步取代LDMOS。随着数据通讯、更高运行频率和带宽的要求日益增长，GaN在基站和无线回程中的应用持续攀升。在未来的网络设计中，针对载波聚合和大规模输入输出(MIMO)等新技术，GaN将凭借其高效率和高宽带性能，相比现有的LDMOS处于更有利的位置。未来5～10年内，预计GaN将逐步取代LDMOS，并逐渐成为3W及以上RF功率应用的主流技术。而GaAs将凭借其得到市场验证的可靠性和性价比，将确保其稳定的市场份额。LDMOS的市场份额则会逐步下降，预测期内将降至整体市场规模的15%左右。

　　到2023年，GaN RF器件市场规模达到13亿美元，约占3W以上的RF功率市场的45%。截止2018年底，整个RF GaN市场规模接近4.85亿美元。未来大多数低于6GHz的宏网络单元实施将使用GaN器件，无线基础设施应用占比将进一步提高至近43%。

　　RF GaN市场的发展方向

　　GaN技术主要以IDM为主。经过数十年的发展，GaN技术在全球各大洲已经普及。市场领先的厂商主要包括Sumitomo Electric 、Wolfspeed(Cree 科锐旗下)、Qorvo，以及美国、欧洲和亚洲的许多其它厂商。化合物半导体市场和传统的硅基半导体产业不同。相比传统硅工艺，GaN技术的外延工艺要重要的多，会影响其作用区域的品质，对器件的可靠性产生巨大影响。这也是为什么目前市场领先的厂商都具备很强的外延工艺能力，并且为了维护技术秘密，都倾向于将这些工艺放在自己内部生产。

　　GaN-on-SiC更具有优势。尽管如此，Fabless设计厂商通过和代工合作伙伴的合作，发展速度也很快。凭借与代工厂紧密的合作关系以及销售渠道，NXP和Ampleon等领先厂商或将改变市场竞争格局。同时，目前市场上还存在两种技术的竞争：GaN-on-SiC(碳化硅上氮化镓)和GaN-on-Silicon(硅上氮化镓)。它们采用了不同材料的衬底，但是具有相似的特性。理论上，GaN-on-SiC具有更好的性能，而且目前大多数厂商都采用了该技术方案。不过，M/A-COM等厂商则在极力推动GaN-on-Silicon技术的广泛应用。未来谁将主导还言之过早，目前来看，GaN-on-Silicon仍是GaN-on-SiC解决方案的有力挑战者。

　　全球GaN射频器件产业链竞争格局

　　GaN微波射频器件产品推出速度明显加快。目前微波射频领域虽然备受关注，但是由于技术水平较高，专利壁垒过大，因此这个领域的公司相比较电力电子领域和光电子领域并不算很多，但多数都具有较强的科研实力和市场运作能力。GaN微波射频器件的商业化供应发展迅速。据材料深一度对Mouser数据统计分析显示，截至2018年4月，共有4家厂商推出了150个品类的GaN HEMT， 占整个射频晶体管供应品类的9.9%，较1月增长了0.6%。

　　Qorvo产品工作频率范围最大，Skyworks产品工作频率较小。Qorvo、CREE、MACOM73%的产品输出功率集中在10W～100W之间，最大功率达到1500W(工作频率在1.0-1.1GHz，由Qorvo生产)，采用的技术主要是GaN/SiC GaN路线。此外，部分企业提供GaN射频模组产品，目前有4家企业对外提供GaN射频放大器的销售，其中Qorvo产品工作频率范围最大，最大工作频率可达到31GHz。Skyworks产品工作频率较小，主要集中在0.05-1.218GHz之间。

　　Qorvo射频放大器的产品类别最多。在我国工信部公布的2个5G工作频段(3.3-3.6GHz、4.8-5GHz)内，Qorvo公司推出的射频放大器的产品类别最多，最高功率分别高达100W和 80W(1月份Qorvo在4.8-5GHz的产品最高功率为60W)，ADI在4.8-5GHz的产品最高功率提高到50W(之前产品的最高功率不到40W)，其他产品的功率大部分在50W以下。