新材料GaN氮化镓大火，会成为第二个石墨烯吗？

文章转载自IT时报，记者李玉洋

30秒快读

1.爱立信、华为、诺基亚、中兴及三星等设备大厂，大多数5G基站皆已采用GaN的PA器件(功率放大器)。GaN射频器件的前期投入成本大，但是功效高、好用。

2.GaN器件确实有机会应用于手机中，三星等手机厂商以及skyworks等射频企业大致已将GaN应用于5G手机中。但困难在于氮化镓材料及器件性能是否能持续稳定以及能大批量生产供应。

2019是5G元年，2020会是GaN（氮化镓）元年吗？很多人对此颇为看好。

“GaN作为新一代半导体材料必然会逐渐体现出优越性。”

在中国电科11所工程师尚林涛看来，GaN能够在高频高温环境下工作，耐高压、性能稳定、寿命长、省电、轻型紧凑，这些都是它的优点，“很多应用领域都会使用GaN，如5G射频等。”

目前，随着疫情防控形势不断向好，国内掀起了新基建热潮，尤其是加快5G建设，被提升至新的高度，运营商和地方政府正在全力推进。

在分析人士看来，5G建设热潮将会进一步带热GaN市场，尤其是在5G基站中，GaN的市场前景广阔。

01

功率放大器成重点领域

集邦咨询分析师王尊民表示，目前来看，包括爱立信、华为、诺基亚、中兴及三星等设备大厂，大多数5G基站皆已采用GaN的PA器件(功率放大器)。

据了解，基站射频前端芯片包括射频开关、射频低噪声放大器、射频功率放大器、双工器、射频滤波器等，PA通常用于实现发射通道的射频信号放大。

射频前端芯片包括PA（功率放大器）部分，图/西南证券研究发展中心

基站射频处理部分中的PA（功率放大器），图/安信证券研究中心

注：本图为简化示意，实际5G基站架构中BBU和RF有调整，射频和天线为一体化

电子创新网CEO张国斌对《IT时报》记者表示，GaN在5G基站的主要应用就是PA。5G建设热潮的到来，将驱动移动基站内GaN PA占比的提升。

据技术人员介绍，4G时代基站的发射模式主要是4T4R（T为Transmit缩写，R为Receive缩写，即4发4收），也就是4根发射天线和4根接收天线，按照一个基站三个扇区计算，对应的射频PA需求量为12个。

1副天线（收发）需要1个射频PA，3个扇区每个扇区4副天线即12副天线需要12个PA，图/无线深海

5G基站是以64T64R大规模天线阵列为主，对应的PA需求量高达192个，PA数量将大幅增长。

4G基站和5G基站的天线对比，图/又拍云

来自市场调研机构Yole数据显示，2017年GaN射频市场规模为3.8亿美元，预计2023年将增长至13亿美元，复合增速为22.9%。

Yole预测，在5G的推动下，2023年GaN射频市场规模将增长至13亿美元，图/Yole

据天风证券报告，我国5G宏基站使用的功率放大器数量在2019年达到1843.2万个，今年有望达到7372.8万个，其中基于GaN（氮化镓）工艺的比例将达到6成。

今年我国5G宏基站中将有6成是GaN 5G基站，图/天风证券

亚光科技旗下子公司技术负责人陈先生告诉《IT时报》记者，与其他材料相比，5G基站使用的GaN射频器件有功效高、好用两大突出优势，“好用的意思就是不容易坏，能节约成本。”

不过，他也指出GaN射频器件的前期投入成本大，价格要比GaAs（砷化镓）至少高出一个数量级。

王尊民也认为，GaN器件成本较高，以6英寸晶圆为例，GaAs需600美元、硅基GaN需500美元、碳化硅基GaN需1200美元。

02

抢滩GaN射频市场

基于硅的横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）、砷化镓（GaAs）以及氮化镓（GaN），是基站中大功率射频器件所使用的三种主要材料 。

Yole报告预测，2020年~2021年为5G基础设施建设的关键期，也将是GaN器件替换传统LDMOS材料的关键期。

三种不同材料射频器件的市场预测，图/Yole

面对5G网络部署良机，国内外厂商在GaN射频器件市场竞争激烈，住友电工、恩智浦、英飞凌、Qorvo等国外巨头，加上苏州能讯、英诺赛科、海威华芯、耐威科技、三安光电等国内厂商谁都不想错过市场。

GaN 射频全球市场，图/Yole

目前来看，住友电工、Qorvo等处于行业第一梯队。其中，住友电工已成为华为核心供应商，为华为GaN射频器件最大供应商。

就在本月3日，Qorvo推出了全球性能最高的宽带功率放大器—— TGA2962，这是一款基于GaN工艺而构建的功率放大器。

Qorvo推出的基于GaN的全球性能最高的宽带功率放大器—— TGA2962，图/Qorvo

这款功率放大器专为通信应用而设计，拥有多项性能突破，同时减少了元件数量、占用空间和成本。

陈先生介绍，看到GaN在5G基站中的前景，其所在公司从军用转向民用，在四五年前就着手研发GaN射频产品，目前已向多家通信设备商供应GaN射频产品。不过，陈先生没有透露客户信息。

三安集成公司一位人士也告诉记者，公司生产的GaN产品已向华为、诺基亚、爱立信供货，主要为5G基站的射频功率放大器。

03

把GaN放进手机仍有难度

王尊民表示，虽然GaN前景广阔，但根据目前发展情势，LDMOS（基于硅的横向扩散金属氧化物半导体）、GaAs（砷化镓）及GaN（氮化镓）器件仍将三者并存。

“由于考虑成本问题，高功率、高频率的5G宏站会以GaN为主流；至于功率及频率稍小的小基站，则会以GaAs组件为主；其他基站的设备，考虑到成本，仍会主要选择LDMOS。”他说。

不同材料射频器件的功率频率特性，图/Analog Devices

GaN射频器件除了在基站端市场广阔外，在手机端同样值得期待。

GaN（氮化镓）的工艺技术，图/意法半导体

王尊民认为GaN器件确实有机会应用于手机中，三星等手机厂商以及skyworks等射频企业大致已将GaN应用于5G手机中，成效还不错。

尚林涛认为，GaN射频器件在手机端的应用前景光明，能有效解决当下5G手机发热、续航差、天线布局难等问题，但困难在于氮化镓材料及器件性能是否能持续稳定以及能大批量生产供应。

王尊民也表示目前阻碍GaN用在手机上还是基于成本考量，硅基GaN的良率还有待提升。

目前来看，手机厂商使用GaN的兴趣点在于充电器，OPPO、小米相继推出了GaN充电器，提升了GaN在普通用户群体中的知名度，现在魅族也准备发布GaN充电器。

手机厂商相继推出GaN充电器，图/小米官网 、GSMArena、充电头网

但是，将GaN材料普遍应用于手机自身内部，也许还要一段时间。

本文封面图来源于图虫创意