移动通信用半导体技术发展趋势浅析

宫学源

5G通信技术带来了大带宽（eMBB）、大連接（mMTC）和低时延（uRLLC）等技术新体验，快速拉动大数据、人工智能、物联网和智能驾驶等一系列新业态，5G新基建正在成为当今时代全球各国最关注的经济与发展议题。未来，5G将继续向毫米波方案推荐，甚至空天地一体化的6G技术也开始崭露头角。GaN—on—SiC、磷化铟（InP）等化合物半导体技术在超高频、大功率射频领域展现出无可比拟的优势，将为未来的5G新基建奠定坚实的物质基础。下文简要阐述通信技术的演进趋势，并对半导体技术的发展趋势作出简析。

1 5G演进趋势：Sub—6G+毫米波混合覆盖模式将成为主流

根据3GPP标准，5G主要使用的频率范围包括450MHz—6GHz（Sub—6G）频段和24.25GH—52.60GHz（毫米波）频段（如图1所示）。其中，Sub—6G频段穿透能力强、覆盖范围广，能兼顾网络速度和信号覆盖，同时可以沿用现有的4G—LTE网络，因此成为全球大多数国家的首发频段；毫米波频段频率高、带宽大，具备速度快、延迟小、信号分辨率高等诸多优势，是5G发展的必然趋势，但该波段穿透能力差、路径损耗大，未来将通过微基站等方式解决覆盖问题。鉴于2个频段各具优势，未来较长时间内Sub—6G频段和毫米波频段混合覆盖的模式将成为主流，在主要城市毫米波将成为主流，在郊区和小城市则由Sub—6GHz占据主导。当前，中国商用5G主要为Sub—6G频段，由于其低成本、宽覆盖的特性中国成为5G覆盖率最高的国家之一；美国由于军事频段占用问题，商用5G主要为毫米波频段，但因成本高、技术成熟度低导致5G覆盖率低。

自iPhone12系列（美版）开始，支持毫米波频段的5G智能手机开始了大面积普及之路。据天风国际分析，与2020年相比，全球5G毫米波基础建设的覆盖率将在2021年下半年显著提升。根据当前销量估计，iPhone13系列的毫米波机型比重将明显增长至50%以上。作为对比，iPhone12系列的毫米波机型比例约为30%～35%。Omdia在其发布的《Smartphone Feature Forecast Database》报告中预测，随着毫米波频谱的商用应用增加，支持毫米波的5G智能手机份额（占所有5G智能手机的比例）将从2021年的19%上升至2022年的32%。随着中国5G频段拓展至毫米波，全球范围内支持该频段的5G智能手机占比将会迅速攀升。

根据GSMA《5G毫米波技术白皮书》，中国IMT—2020（5G）推进组统筹规划，分3个阶段推进5G毫米波的试验工作：2019年重点验证5G毫米波关键技术和系统特性；2020年重点验证5G毫米波基站和终端的功能、性能和互操作，2020—2021年开展典型场景应用验证。2022年北京冬奥会上，中国5G毫米波将开启首次商用，这将成为中国5G毫米波产业链快速发展的里程碑。

2 毫米波驱动：从基站到终端，射频材料面临诸多考验

5G通信既是在4G通信技术上的持续演进，又融合了多种新型的通信技术，可谓是近几十年来通信技术的集大成者。从关键技术上看，5G基站主要引进了大规模天线阵列（Massive MIMO）技术，其可通过更多天线来大幅提高网络容量和信号质量，采用 Massive MIMO技术的5G基站不但可以通过复用更多的无线信号流提升网络容量，还可通过波束赋形大幅提升网络覆盖能力。波束赋形技术则是通过调整天线增益空间分布，使信号能量在发送时更集中指向目标终端，以弥补信号发送后在空间传输的损耗，大幅提升网络覆盖能力。从基站组成上看，4G基站设备由基带单元（BBU）和射频拉远单元（RRU）组成，BBU与RRU之间通过光纤连接，而RRU与天线之间通过馈线连接；5G基站设备将BBU分割为中央单元（CU）和分布式单元（DU），并通过光纤与有源天线单元（AAU）连接，AAU包含了RRU和天线功能，即有源射频部分与无源天线基于一体。

由于波长较短，5G毫米波设备的天线阵列可在有限尺寸空间内放置更多天线阵子，特别是5G毫米波基站的天线阵子数量可以达到256、512甚至1024，远远超过4G时代32个及以下的天线单元。这意味着射频器件需要在一定的空间中做出更大阵列，输出更高功率，图2为射频前端器件的工艺技术和应用示意图。当前，业界选择将毫米波天线与毫米波芯片封装在一起，这种设计方式被称作毫米波天线模组（antenna—in—package，AiP）。总而言之，5G毫米波进展所需的频段更高、带宽更大，路径损耗相对更大，对射频器件的材料提出了更高要求：①禁带宽度更大，以运行更高的频带；②临界击穿电场更高，以满足更高功率的应用；③热导率更高，更易将器件中的功耗传导到周围环境；④饱和电子速率和电子迁移率更高，寄生电阻小，以适应更高频的工作环境。

与第1代半导体硅（Si，禁带宽度1.1eV）、第2代半导体砷化镓（GaAs，禁带宽度1.4eV）相比，第3代宽禁带半导体氮化镓（GaN）具有高禁带宽度（3.4eV）、高崩溃电压等特性，输出功率和效率（图3）显著优于GaAs、Si基的横向扩散金属氧化物（LDMOS），可用来制作高速、低噪音器件，以改善高频段的通信品质。鉴于GaN优秀的材料特性，毫米波、Massive—MIMO、波束赋形以及载波聚合等5G移动通信中使用到的核心基础技术均倾向于使用GaN材料制作功率放大器产品。目前，射频前端器件均由半导体工艺制备，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。滤波器主要品类有声表面波滤波器（SAW）和体声波滤波器（BAW）2种，均采用压电材料做基底。射频开关主要基于互补金属氧化物半导体（CMOS）、GaAs和GaN材料（如图3所示）。随着毫米波应用的推广，未来基站射频前端器件中GaN将逐渐替代LDMOS和GaAs。

从GaN外延种类上看，目前市场上主流的有硅基氮化镓（GaN—on—Si）和碳化硅基氮化镓（GaN—on SiC）技术。除以上2种主流技术外，还有蓝宝石基氮化镓（GaN—on—sapphire）以及氮化镓同质外延（GaN—on—GaN）技术。其中，GaN衬底由于成本过高、技术难度大，难以商业化应用；GaN—on—Sapphire常用于LED制造，主流尺寸为4英寸；GaN—on—Si外延片主要用于制造电力电子器件，其技术趋势是优化大尺寸外延技术；GaN—on—SiC结合了SiC优异的导热性和的GaN高功率密度和低损耗的能力，是毫米波应用场景下综合优势最明显的材料。此外，SiC具有高电阻特性，非常有利于毫米波高频传输。随着英飞凌、Cree、罗姆等具备8英寸SiC晶圆的生产能力，GaN—on—SiC外延的大规模应用将步入新台阶。

3 6G技术初探：InP有望支撑太赫兹电磁波通信技术

随着频谱资源的日益减少以及全球数据吞吐量的不断提升，更加先进的通信技术被提上日程。2019年6月，工业和信息化部会同国家发展和改革委员会、科技部指导产业界成立了IMT—2030（6G）推进组，积极推进6G愿景需求研究、关键技术研发、标准研制及国际合作交流等各项工作。同年9月，芬兰奥卢大学与70位世界顶尖通信专家共同发布全球首份6G白皮书《无处不在的无线智能——6G的关键驱动与研究挑战》，对6G进行了系统阐述。业界普遍预期，6G的综合性能将达到5G的10～100倍：数据延迟低于0.1ms、毫米级感知定位、传输带宽有望达到Tb/s，能效为1纳焦耳每比特以下，设备连接密度可达数百个/m3。

6G技术尚处于概念阶段，关键技术仍在摸索之中。目前，业界研究的焦点在太赫兹通信，其被认为是6G的关键技术之一。以往，太赫兹电磁波已经被用于军事雷达探测、医疗成像等领域，其特点是通信频率高、理论传输速率高达Tb/s级。由于波长短，太赫兹电磁波传输距离更短、易受障碍物干扰，当前的通信距离只有10m左右，短时间内很难解决该瓶颈问题。此外，6G通信方案尝试解决空天地一体化的通信网络，因此也会出现很多新型颠覆性技术。可以预期，6G的应用场景相对5G更加广阔：包括智能交通工具组网（将各类载人工具组网，智能车联网的进阶）、智能工業（实现毫米级定位、比工业互联网更先进的解决方案）、全息通信（多维感官数据还原与增强现实）、全域高速通信（空天地皆可上网、100%深度覆盖）等。

为推动6G通信技术在2030年左右实现，业界还需要做相当大的努力，主要的技术难点包括超结构的超大规模天线技术、空天地融合技术和太赫兹电磁波通信技术。其中，太赫兹电磁波技术与半导体技术的发展息息相关。当今的标准硅器件技术缺乏较高无线电频率所需的发射功率和能效，而较新的III—V材料如InP可在100GHz以上无线频率实现高带宽通信。有关报道证实， InP是目前射频性能表现最好的半导体材料，无论是HEBT还是HBT的最大功率振荡频率都超过1THz。2020年1月，日本NTT集团旗下的设备技术实验室成功利用InP半导体材料，开发出在300GHz频段下运行的6G芯片，单链路数据速率高达100Gb/s。同年10月，比利时微电子研究中心也展示了一款InP/CMOS混合型3D堆叠的6G芯片，单链路数据速率达到了80Gb/s。

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