第3代半导体材料在5G通信领域的发展与机遇

张贤杰

(黑龙江省科学院江苏技术转移中心，江苏 镇江 212000；黑龙江省科学院智能制造研究所，哈尔滨 150090)

0 引 言

2019年11月1日，我国三大运营商正式上线了5G商用套餐，这意味着5G正式进入了商用阶段。5G网络已经完成了基础建设，还会向多元化、综合化、智能化方向发展。现阶段，移动终端的智能水平不断提高，2020年移动数据流量呈现指数增长的趋势。为了加速通信领域的发展，还需要结合新材料的应用给5G网络带来更多机遇。

2019年作为5G的商用元年，在未来的发展过程中，产品的更新速度会不断加快。2020年5G产品正在成为社会发展的主线，新产品的提出和更新给人们的生活提供了更多的便利条件。5G系统对移动终端设备的要求不断提高，4GIte系统无法满足正常需求。为顺应绿色环保、低碳发展的理念，运营商在通信网络中进行了一系列完善。射频功率放大器是基站设备中消耗能量较多的部件，所以，寻求质量轻、体积小、成本低的物质进行代替具有重要意义。

1 5G通信领域的发展

5G，即第五代移动通信技术(5th Generation mobile networks)，其作为全新一代的移动通信技术，是4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系统的延伸和拓展。5G将高速率、延迟少变成了现实，在成本逐渐降低的情况下，提高了设备的容量和储存率，让设备的发展规模进一步扩大。Release-15中的5G规范指出，初期阶段主要完成战略部署，顺应商业化发展。Release-16中指出，将2020年4月完成的IMT-2020技术的候选提交给国际电信联盟(ITU)。

5G网络同样是数字蜂窝网络，但是对区域的划分更加细致，将供应商覆盖的服务区划分成蜂窝状小地理区域，通过手机等终端设备将模拟信号做数字化处理，在模数转换器的处理下变成比特流传输，加快了数据的传输速度。通过高带宽光纤或无线回程将本地天线与互联网和电话网络连接。移动终端设备可以从一个蜂窝转换到另一个蜂窝中，也就是在移动终端设备使用位置发生变化时，自动切换到新蜂窝的天线中。5G网络的数据传输速率比以往的蜂窝网络高很多，是4Glte蜂窝网络的100倍。数据传输的便利不仅使手机服务功能更加完善，在家庭生活和日常办公中也更加便利。

2 宽禁带半导体在5G领域中的应用

宽禁带半导体主要指碳化硅和氮化钾，是硅、锗(第一代)、砷化镓、磷化铟(第二代)等材料发展起来后的全新半导体材料，能够在温度较高外界能量变化较大的情况下，保持原有导电性，维持设备在高温高辐射环境中的运行。碳化硅和氮化镓能够在600℃以上的工作环境中高功率密度射频电子，是半导体科学、高温电子学、高功率微波电子学等专业的研究重点。5G通信系统对移动通信基站的带宽要求不断提高，由于射频功率放大器消耗能量较多，所以寻求质量轻、体积小、成本低的物质进行代替具有重要意义。碳化硅和氮化镓作为新型材料，在器件中显示出了巨大的优势。在5G通信设备中运用这些材料具有重要意义，现阶段属于高核心项目。

氮化镓基射频器件可以提供更高的工作电压，使功率密度不断提高，满足工作频率要求和带宽要求。由于氮化镓材料本身性质的优势，受到越来越多研究人员的喜爱。现阶段，氮化镓镓材料是5G无线通信网络中的理想射频功率器件材料。我国许多通信技术企业对氮化镓技术的应用进行了深入研究，如中国电子科技集团公司第十三研究所、苏州能讯高能半导体有限公司等。氮化物材料的射频器设计、材料应用方法、可靠性机理、功能性完善等方面已经有了许多理论研究成果。

随着移动通信市场规模的不断扩大，基站射频功率器件需求量不断增加。氮化镓与普通硅基LDMOS器件相比具有更多的优势，在无线通信基站和卫星通信领域中能够发挥出更大价值。

3 结语

随着社会的发展和科学技术水平的提高，未来5G系统还会进一步发展，支持更多机械设备的通信和运行。实现智能环境的构建，将实际环境和移动通信设备融合在一起，慢慢地会有更多的设备接入到5G网络中。5G具有很高的稳定性和可靠性，制定出的系统具有超高性能。社会发展与科学进步完美结合在一起，使移动医疗、工业互联网成为现实，并在商品销售行业中运用5G网络建设运营环境。未来，移动通信领域在5G网络设备上的投资还会不断增加，越来越多的人会了解5G、接受5G、喜欢5G。预计2030年，各行各业在5G设备方面的支出会超过5 200亿元。在5G行业的发展过程中，与各行各业的实际情况融合在一起，使5G设备的支出不断增加。在5G的带领下，其他行业还会向着更快更好的方向发展。在5G通信领域中运用第3代半导体材料迸发出新的火花，将迎来新的发展机遇，给人们带来更好的生活品质。