移動(dòng)通信用半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)淺析

宮學(xué)源

5G通信技術(shù)帶來了大帶寬（eMBB）、大連接（mMTC）和低時(shí)延（uRLLC）等技術(shù)新體驗(yàn)，快速拉動(dòng)大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和智能駕駛等一系列新業(yè)態(tài)，5G新基建正在成為當(dāng)今時(shí)代全球各國最關(guān)注的經(jīng)濟(jì)與發(fā)展議題。未來，5G將繼續(xù)向毫米波方案推薦，甚至空天地一體化的6G技術(shù)也開始嶄露頭角。GaN—on—SiC、磷化銦（InP）等化合物半導(dǎo)體技術(shù)在超高頻、大功率射頻領(lǐng)域展現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)勢(shì)，將為未來的5G新基建奠定堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。下文簡(jiǎn)要闡述通信技術(shù)的演進(jìn)趨勢(shì)，并對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)作出簡(jiǎn)析。

1 5G演進(jìn)趨勢(shì)：Sub—6G+毫米波混合覆蓋模式將成為主流

根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)，5G主要使用的頻率范圍包括450MHz—6GHz（Sub—6G）頻段和24.25GH—52.60GHz（毫米波）頻段（如圖1所示）。其中，Sub—6G頻段穿透能力強(qiáng)、覆蓋范圍廣，能兼顧網(wǎng)絡(luò)速度和信號(hào)覆蓋，同時(shí)可以沿用現(xiàn)有的4G—LTE網(wǎng)絡(luò)，因此成為全球大多數(shù)國家的首發(fā)頻段；毫米波頻段頻率高、帶寬大，具備速度快、延遲小、信號(hào)分辨率高等諸多優(yōu)勢(shì)，是5G發(fā)展的必然趨勢(shì)，但該波段穿透能力差、路徑損耗大，未來將通過微基站等方式解決覆蓋問題。鑒于2個(gè)頻段各具優(yōu)勢(shì)，未來較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)Sub—6G頻段和毫米波頻段混合覆蓋的模式將成為主流，在主要城市毫米波將成為主流，在郊區(qū)和小城市則由Sub—6GHz占據(jù)主導(dǎo)。當(dāng)前，中國商用5G主要為Sub—6G頻段，由于其低成本、寬覆蓋的特性中國成為5G覆蓋率最高的國家之一；美國由于軍事頻段占用問題，商用5G主要為毫米波頻段，但因成本高、技術(shù)成熟度低導(dǎo)致5G覆蓋率低。

自iPhone12系列（美版）開始，支持毫米波頻段的5G智能手機(jī)開始了大面積普及之路。據(jù)天風(fēng)國際分析，與2020年相比，全球5G毫米波基礎(chǔ)建設(shè)的覆蓋率將在2021年下半年顯著提升。根據(jù)當(dāng)前銷量估計(jì)，iPhone13系列的毫米波機(jī)型比重將明顯增長(zhǎng)至50%以上。作為對(duì)比，iPhone12系列的毫米波機(jī)型比例約為30%～35%。Omdia在其發(fā)布的《Smartphone Feature Forecast Database》報(bào)告中預(yù)測(cè)，隨著毫米波頻譜的商用應(yīng)用增加，支持毫米波的5G智能手機(jī)份額（占所有5G智能手機(jī)的比例）將從2021年的19%上升至2022年的32%。隨著中國5G頻段拓展至毫米波，全球范圍內(nèi)支持該頻段的5G智能手機(jī)占比將會(huì)迅速攀升。

根據(jù)GSMA《5G毫米波技術(shù)白皮書》，中國IMT—2020（5G）推進(jìn)組統(tǒng)籌規(guī)劃，分3個(gè)階段推進(jìn)5G毫米波的試驗(yàn)工作：2019年重點(diǎn)驗(yàn)證5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)特性；2020年重點(diǎn)驗(yàn)證5G毫米波基站和終端的功能、性能和互操作，2020—2021年開展典型場(chǎng)景應(yīng)用驗(yàn)證。2022年北京冬奧會(huì)上，中國5G毫米波將開啟首次商用，這將成為中國5G毫米波產(chǎn)業(yè)鏈快速發(fā)展的里程碑。

2 毫米波驅(qū)動(dòng)：從基站到終端，射頻材料面臨諸多考驗(yàn)

5G通信既是在4G通信技術(shù)上的持續(xù)演進(jìn)，又融合了多種新型的通信技術(shù)，可謂是近幾十年來通信技術(shù)的集大成者。從關(guān)鍵技術(shù)上看，5G基站主要引進(jìn)了大規(guī)模天線陣列（Massive MIMO）技術(shù)，其可通過更多天線來大幅提高網(wǎng)絡(luò)容量和信號(hào)質(zhì)量，采用 Massive MIMO技術(shù)的5G基站不但可以通過復(fù)用更多的無線信號(hào)流提升網(wǎng)絡(luò)容量，還可通過波束賦形大幅提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。波束賦形技術(shù)則是通過調(diào)整天線增益空間分布，使信號(hào)能量在發(fā)送時(shí)更集中指向目標(biāo)終端，以彌補(bǔ)信號(hào)發(fā)送后在空間傳輸?shù)膿p耗，大幅提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。從基站組成上看，4G基站設(shè)備由基帶單元（BBU）和射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）組成，BBU與RRU之間通過光纖連接，而RRU與天線之間通過饋線連接；5G基站設(shè)備將BBU分割為中央單元（CU）和分布式單元（DU），并通過光纖與有源天線單元（AAU）連接，AAU包含了RRU和天線功能，即有源射頻部分與無源天線基于一體。

由于波長(zhǎng)較短，5G毫米波設(shè)備的天線陣列可在有限尺寸空間內(nèi)放置更多天線陣子，特別是5G毫米波基站的天線陣子數(shù)量可以達(dá)到256、512甚至1024，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過4G時(shí)代32個(gè)及以下的天線單元。這意味著射頻器件需要在一定的空間中做出更大陣列，輸出更高功率，圖2為射頻前端器件的工藝技術(shù)和應(yīng)用示意圖。當(dāng)前，業(yè)界選擇將毫米波天線與毫米波芯片封裝在一起，這種設(shè)計(jì)方式被稱作毫米波天線模組（antenna—in—package，AiP）。總而言之，5G毫米波進(jìn)展所需的頻段更高、帶寬更大，路徑損耗相對(duì)更大，對(duì)射頻器件的材料提出了更高要求：①禁帶寬度更大，以運(yùn)行更高的頻帶；②臨界擊穿電場(chǎng)更高，以滿足更高功率的應(yīng)用；③熱導(dǎo)率更高，更易將器件中的功耗傳導(dǎo)到周圍環(huán)境；④飽和電子速率和電子遷移率更高，寄生電阻小，以適應(yīng)更高頻的工作環(huán)境。

與第1代半導(dǎo)體硅（Si，禁帶寬度1.1eV）、第2代半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs，禁帶寬度1.4eV）相比，第3代寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵（GaN）具有高禁帶寬度（3.4eV）、高崩潰電壓等特性，輸出功率和效率（圖3）顯著優(yōu)于GaAs、Si基的橫向擴(kuò)散金屬氧化物（LDMOS），可用來制作高速、低噪音器件，以改善高頻段的通信品質(zhì)。鑒于GaN優(yōu)秀的材料特性，毫米波、Massive—MIMO、波束賦形以及載波聚合等5G移動(dòng)通信中使用到的核心基礎(chǔ)技術(shù)均傾向于使用GaN材料制作功率放大器產(chǎn)品。目前，射頻前端器件均由半導(dǎo)體工藝制備，用于基站端的大功率功率放大器主要采用GaAs、GaN和基于Si的LDMOS。濾波器主要品類有聲表面波濾波器（SAW）和體聲波濾波器（BAW）2種，均采用壓電材料做基底。射頻開關(guān)主要基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）、GaAs和GaN材料（如圖3所示）。隨著毫米波應(yīng)用的推廣，未來基站射頻前端器件中GaN將逐漸替代LDMOS和GaAs。

從GaN外延種類上看，目前市場(chǎng)上主流的有硅基氮化鎵（GaN—on—Si）和碳化硅基氮化鎵（GaN—on SiC）技術(shù)。除以上2種主流技術(shù)外，還有藍(lán)寶石基氮化鎵（GaN—on—sapphire）以及氮化鎵同質(zhì)外延（GaN—on—GaN）技術(shù)。其中，GaN襯底由于成本過高、技術(shù)難度大，難以商業(yè)化應(yīng)用；GaN—on—Sapphire常用于LED制造，主流尺寸為4英寸；GaN—on—Si外延片主要用于制造電力電子器件，其技術(shù)趨勢(shì)是優(yōu)化大尺寸外延技術(shù)；GaN—on—SiC結(jié)合了SiC優(yōu)異的導(dǎo)熱性和的GaN高功率密度和低損耗的能力，是毫米波應(yīng)用場(chǎng)景下綜合優(yōu)勢(shì)最明顯的材料。此外，SiC具有高電阻特性，非常有利于毫米波高頻傳輸。隨著英飛凌、Cree、羅姆等具備8英寸SiC晶圓的生產(chǎn)能力，GaN—on—SiC外延的大規(guī)模應(yīng)用將步入新臺(tái)階。

3 6G技術(shù)初探：InP有望支撐太赫茲電磁波通信技術(shù)

隨著頻譜資源的日益減少以及全球數(shù)據(jù)吞吐量的不斷提升，更加先進(jìn)的通信技術(shù)被提上日程。2019年6月，工業(yè)和信息化部會(huì)同國家發(fā)展和改革委員會(huì)、科技部指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)界成立了IMT—2030（6G）推進(jìn)組，積極推進(jìn)6G愿景需求研究、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)研制及國際合作交流等各項(xiàng)工作。同年9月，芬蘭奧盧大學(xué)與70位世界頂尖通信專家共同發(fā)布全球首份6G白皮書《無處不在的無線智能——6G的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)與研究挑戰(zhàn)》，對(duì)6G進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。業(yè)界普遍預(yù)期，6G的綜合性能將達(dá)到5G的10～100倍：數(shù)據(jù)延遲低于0.1ms、毫米級(jí)感知定位、傳輸帶寬有望達(dá)到Tb/s，能效為1納焦耳每比特以下，設(shè)備連接密度可達(dá)數(shù)百個(gè)/m3。

6G技術(shù)尚處于概念階段，關(guān)鍵技術(shù)仍在摸索之中。目前，業(yè)界研究的焦點(diǎn)在太赫茲通信，其被認(rèn)為是6G的關(guān)鍵技術(shù)之一。以往，太赫茲電磁波已經(jīng)被用于軍事雷達(dá)探測(cè)、醫(yī)療成像等領(lǐng)域，其特點(diǎn)是通信頻率高、理論傳輸速率高達(dá)Tb/s級(jí)。由于波長(zhǎng)短，太赫茲電磁波傳輸距離更短、易受障礙物干擾，當(dāng)前的通信距離只有10m左右，短時(shí)間內(nèi)很難解決該瓶頸問題。此外，6G通信方案嘗試解決空天地一體化的通信網(wǎng)絡(luò)，因此也會(huì)出現(xiàn)很多新型顛覆性技術(shù)?？梢灶A(yù)期，6G的應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)5G更加廣闊：包括智能交通工具組網(wǎng)（將各類載人工具組網(wǎng)，智能車聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)階）、智能工業(yè)（實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)定位、比工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)更先進(jìn)的解決方案）、全息通信（多維感官數(shù)據(jù)還原與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）、全域高速通信（空天地皆可上網(wǎng)、100%深度覆蓋）等。

為推動(dòng)6G通信技術(shù)在2030年左右實(shí)現(xiàn)，業(yè)界還需要做相當(dāng)大的努力，主要的技術(shù)難點(diǎn)包括超結(jié)構(gòu)的超大規(guī)模天線技術(shù)、空天地融合技術(shù)和太赫茲電磁波通信技術(shù)。其中，太赫茲電磁波技術(shù)與半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。當(dāng)今的標(biāo)準(zhǔn)硅器件技術(shù)缺乏較高無線電頻率所需的發(fā)射功率和能效，而較新的III—V材料如InP可在100GHz以上無線頻率實(shí)現(xiàn)高帶寬通信。有關(guān)報(bào)道證實(shí)， InP是目前射頻性能表現(xiàn)最好的半導(dǎo)體材料，無論是HEBT還是HBT的最大功率振蕩頻率都超過1THz。2020年1月，日本NTT集團(tuán)旗下的設(shè)備技術(shù)實(shí)驗(yàn)室成功利用InP半導(dǎo)體材料，開發(fā)出在300GHz頻段下運(yùn)行的6G芯片，單鏈路數(shù)據(jù)速率高達(dá)100Gb/s。同年10月，比利時(shí)微電子研究中心也展示了一款I(lǐng)nP/CMOS混合型3D堆疊的6G芯片，單鏈路數(shù)據(jù)速率達(dá)到了80Gb/s。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.06.010