5G应用的关键材料：深度解析GaN产业链-PG电子

随着技术的发展，终端设备对于半导体器件性能、效率、小型化拒绝的更加低，尤其是随着5G的将要来临，也更进一步推展了以氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料的较慢发展。一、GaN的神秘1、GaN是什么？GaN是近于平稳的化合物，又是柔软的高熔点材料，熔点大约为1700℃，GaN具备低的电离度，在III－V族化合物中是最低的（0．5或0．43）。在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。

2、GaN器件逐步步入成熟阶段氮化镓技术可以追溯到1970年代，美国无线电公司（RCA）研发了一种氮化镓工艺来生产LED。自上世纪90年代开始，基于GaN的LED大放异彩，目前已成LED的主流。现在市场上销售的很多LED就是用于蓝宝石衬底的氮化镓技术。

除了LED，氮化镓也被用于到了功率半导体与射频器件上。基于氮化镓的功率芯片正在市场站稳脚跟。

2010年，第一个GaN功率器件由IR投入市场，2014年以后，600VGaNHEMT早已沦为GaN器件主流。2014年，行业首次在8英寸SiC（碳化硅）上生长GaN器件。

3、GaN在电力电子领域与微波射频领域皆有优势①、GaN在电力电子领域：高效率、低损耗与高频率低切换效率：GaN的禁带宽度是Si的3倍，穿透电场是Si的10倍。因此，某种程度额定电压的GaN电源功率器件的导通电阻比Si器件较低3个数量级，大大降低了电源的导通损耗。

较低导通损耗：GaN的禁带宽度是Si的3倍，穿透电场是Si的10倍。因此，某种程度额定电压的GaN电源功率器件的导通电阻比Si器件较低3个数量级，大大降低了电源的导通损耗。

▲Si功率器件电源速度慢，能量损耗大（来源：太平洋证券）▲GaN电源速度快，可大幅提高效率（来源：太平洋证券整理）低工作频率：GaN电源器件寄生电容小，工作效率可以比Si器件提高最少20倍，大大增大了电路中储能原件如电容、电感的体积，从而成倍地增加设备体积，增加铜等贵重原材料的消耗。②、GaN在微波射频领域：高效率、大比特率与高功率更高功率：GaN上的电子具备低饱和状态速度（在十分低的电场下的电子速度）。融合大电荷能力，这意味著GaN器件可以获取更高的电流密度。RF功率输入是电压和电流转动的乘积，因此更高的电压和电流密度可以在实际尺寸的晶体管中产生更高的RF功率。

在4GHz以上频段，可以输入比GaAs低得多的频率，尤其合适雷达、卫星通信、中继通信等领域。更高效率：降低功耗，节省电能，减少风扇成本，减少总运营成本。

更大的比特率：提升信息装载量，用较少的器件构建多频率覆盖面积，减少客户产品成本。也限于于扩频通信、电子对抗等领域。另外值得一提的是，GaN－on－SiC器件具备出众的热性能，这主要得益于SiC的高导热性。

实质上，这意味著GaN－on－SiC器件在力学系统完全相同功率时会像GaAs或Si器件那样热。“较冷”设备意味著更加可信的设备。

4、与第二代半导体材料GaAs比起优势显著GaN器件的功率密度是砷化镓（GaAs）器件的十倍。GaN器件的更高功率密度使其需要获取更加长的比特率，更高的放大器增益和更高的效率，这是由于器件外围更加小。GaN场效应晶体管（FET）器件的工作电压可以比同类GaAs器件低五倍。

由于GaNFET器件可以在更高的电压下工作，因此设计人员可以更加精彩地在窄带放大器设计上构建阻抗匹配。阻抗匹配是以这样的方式设计电阻抗的输入阻抗的实践中，其最大化从设备到阻抗的功率传输。GaNFET器件的电流是GaAsFET器件的两倍。由于GaNFET器件可获取的电流是GaAsFET器件的两倍，因此GaNFET器件具备更高的比特率能力。

大部分的半导体器件对于温度的变化都是十分脆弱的，为了确保可靠性，半导体的温度变化必需被掌控在一定范围内。热管理对于RF系统来说特别是在最重要，因为它们本身能量损耗就较为低，不会带给比较严重的风扇问题。

GaN在维持低温方面有其独有优势，另外即使在温度较高的情况下，比起于硅其性能影响较小。例如100万小时过热时间中位数MTTF表明，GaN比GaAs的工作温度可以低50摄氏度。

▲GaAs与GaN的可靠性较为（资料来源：Qorvo，中银国际证券）与其他半导体（如Si和GaAs）比起，GaN是一种比较较新的技术，但它已沦为低射频，低耗电量应用于的选用技术，如长距离或高端功率传输信号所需的应用于（如雷达，基站缴发信台［BTS］，卫星通信，电子战［EW］等）。5、随着成本减少，GaN市场空间极大随着成本减少，GaN市场空间极大。

GaN与SiC、Si材料各有其优势领域，但是也有重合的地方。GaN材料电子饱和状态飘移速率最低，合适高频率应用于场景，但是在高压高功率场景不如SiC；随着成本的上升，GaN未来将会在中低功率领域替代二极管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件。以电压来分，0～300V是Si材料占有优势，600V以上是SiC占有优势，300V～600V之间则是GaN材料的优势领域。根据Yole估算，在0～900V的高压市场，GaN都有较小的应用于潜力，这一块占有整个功率市场大约68％的比重，按照整体市场154亿美元来看，GaN潜在市场多达100亿美元。

GaNRF市场将要大放异彩。根于Yole的预测，在通信和国防应用于的推展下RFGaN产业在2017年至2023年期间的填充年增长率将不会超过的23％。截至2017年底RFGaN市场总量相似3．8亿美元，2023年将超过13亿美元以上。基于RF的GaN技术也在不断创新以符合工业界市场需求。

国防应用于是RFGaN的主要市场领域，这是因为GaN产品具备专业的高性能拒绝和较低价格优势。2017－2018年间，国防应用于占到GaN射频市场总量的35％以上，目前全球国防市场在GaN领域没上升迹象。

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