第3代半導(dǎo)體材料在5G通信領(lǐng)域的發(fā)展與機(jī)遇

張賢杰

(黑龍江省科學(xué)院江蘇技術(shù)轉(zhuǎn)移中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；黑龍江省科學(xué)院智能制造研究所，哈爾濱 150090)

0 引 言

2019年11月1日，我國三大運(yùn)營商正式上線了5G商用套餐，這意味著5G正式進(jìn)入了商用階段。5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)完成了基礎(chǔ)建設(shè)，還會向多元化、綜合化、智能化方向發(fā)展?，F(xiàn)階段，移動終端的智能水平不斷提高，2020年移動數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)指數(shù)增長的趨勢。為了加速通信領(lǐng)域的發(fā)展，還需要結(jié)合新材料的應(yīng)用給5G網(wǎng)絡(luò)帶來更多機(jī)遇。

2019年作為5G的商用元年，在未來的發(fā)展過程中，產(chǎn)品的更新速度會不斷加快。2020年5G產(chǎn)品正在成為社會發(fā)展的主線，新產(chǎn)品的提出和更新給人們的生活提供了更多的便利條件。5G系統(tǒng)對移動終端設(shè)備的要求不斷提高，4GIte系統(tǒng)無法滿足正常需求。為順應(yīng)綠色環(huán)保、低碳發(fā)展的理念，運(yùn)營商在通信網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了一系列完善。射頻功率放大器是基站設(shè)備中消耗能量較多的部件，所以，尋求質(zhì)量輕、體積小、成本低的物質(zhì)進(jìn)行代替具有重要意義。

1 5G通信領(lǐng)域的發(fā)展

5G，即第五代移動通信技術(shù)(5th Generation mobile networks)，其作為全新一代的移動通信技術(shù)，是4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系統(tǒng)的延伸和拓展。5G將高速率、延遲少變成了現(xiàn)實(shí)，在成本逐漸降低的情況下，提高了設(shè)備的容量和儲存率，讓設(shè)備的發(fā)展規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。Release-15中的5G規(guī)范指出，初期階段主要完成戰(zhàn)略部署，順應(yīng)商業(yè)化發(fā)展。Release-16中指出，將2020年4月完成的IMT-2020技術(shù)的候選提交給國際電信聯(lián)盟(ITU)。

5G網(wǎng)絡(luò)同樣是數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)，但是對區(qū)域的劃分更加細(xì)致，將供應(yīng)商覆蓋的服務(wù)區(qū)劃分成蜂窩狀小地理區(qū)域，通過手機(jī)等終端設(shè)備將模擬信號做數(shù)字化處理，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的處理下變成比特流傳輸，加快了數(shù)據(jù)的傳輸速度。通過高帶寬光纖或無線回程將本地天線與互聯(lián)網(wǎng)和電話網(wǎng)絡(luò)連接。移動終端設(shè)備可以從一個(gè)蜂窩轉(zhuǎn)換到另一個(gè)蜂窩中，也就是在移動終端設(shè)備使用位置發(fā)生變化時(shí)，自動切換到新蜂窩的天線中。5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率比以往的蜂窩網(wǎng)絡(luò)高很多，是4Glte蜂窩網(wǎng)絡(luò)的100倍。數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憷粌H使手機(jī)服務(wù)功能更加完善，在家庭生活和日常辦公中也更加便利。

2 寬禁帶半導(dǎo)體在5G領(lǐng)域中的應(yīng)用

寬禁帶半導(dǎo)體主要指碳化硅和氮化鉀，是硅、鍺(第一代)、砷化鎵、磷化銦(第二代)等材料發(fā)展起來后的全新半導(dǎo)體材料，能夠在溫度較高外界能量變化較大的情況下，保持原有導(dǎo)電性，維持設(shè)備在高溫高輻射環(huán)境中的運(yùn)行。碳化硅和氮化鎵能夠在600℃以上的工作環(huán)境中高功率密度射頻電子，是半導(dǎo)體科學(xué)、高溫電子學(xué)、高功率微波電子學(xué)等專業(yè)的研究重點(diǎn)。5G通信系統(tǒng)對移動通信基站的帶寬要求不斷提高，由于射頻功率放大器消耗能量較多，所以尋求質(zhì)量輕、體積小、成本低的物質(zhì)進(jìn)行代替具有重要意義。碳化硅和氮化鎵作為新型材料，在器件中顯示出了巨大的優(yōu)勢。在5G通信設(shè)備中運(yùn)用這些材料具有重要意義，現(xiàn)階段屬于高核心項(xiàng)目。

氮化鎵基射頻器件可以提供更高的工作電壓，使功率密度不斷提高，滿足工作頻率要求和帶寬要求。由于氮化鎵材料本身性質(zhì)的優(yōu)勢，受到越來越多研究人員的喜愛?，F(xiàn)階段，氮化鎵鎵材料是5G無線通信網(wǎng)絡(luò)中的理想射頻功率器件材料。我國許多通信技術(shù)企業(yè)對氮化鎵技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，如中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所、蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司等。氮化物材料的射頻器設(shè)計(jì)、材料應(yīng)用方法、可靠性機(jī)理、功能性完善等方面已經(jīng)有了許多理論研究成果。

隨著移動通信市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，基站射頻功率器件需求量不斷增加。氮化鎵與普通硅基LDMOS器件相比具有更多的優(yōu)勢，在無線通信基站和衛(wèi)星通信領(lǐng)域中能夠發(fā)揮出更大價(jià)值。

3 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，未來5G系統(tǒng)還會進(jìn)一步發(fā)展，支持更多機(jī)械設(shè)備的通信和運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)智能環(huán)境的構(gòu)建，將實(shí)際環(huán)境和移動通信設(shè)備融合在一起，慢慢地會有更多的設(shè)備接入到5G網(wǎng)絡(luò)中。5G具有很高的穩(wěn)定性和可靠性，制定出的系統(tǒng)具有超高性能。社會發(fā)展與科學(xué)進(jìn)步完美結(jié)合在一起，使移動醫(yī)療、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為現(xiàn)實(shí)，并在商品銷售行業(yè)中運(yùn)用5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)運(yùn)營環(huán)境。未來，移動通信領(lǐng)域在5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的投資還會不斷增加，越來越多的人會了解5G、接受5G、喜歡5G。預(yù)計(jì)2030年，各行各業(yè)在5G設(shè)備方面的支出會超過5 200億元。在5G行業(yè)的發(fā)展過程中，與各行各業(yè)的實(shí)際情況融合在一起，使5G設(shè)備的支出不斷增加。在5G的帶領(lǐng)下，其他行業(yè)還會向著更快更好的方向發(fā)展。在5G通信領(lǐng)域中運(yùn)用第3代半導(dǎo)體材料迸發(fā)出新的火花，將迎來新的發(fā)展機(jī)遇，給人們帶來更好的生活品質(zhì)。