宮學源
5G通信技術帶來了大帶寬(eMBB)、大連接(mMTC)和低時延(uRLLC)等技術新體驗,快速拉動大數(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新基建正在成為當今時代全球各國最關注的經(jīng)濟與發(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技術也開始嶄露頭角。GaN—on—SiC、磷化銦(InP)等化合物半導體技術在超高頻、大功率射頻領域展現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)勢,將為未來的5G新基建奠定堅實的物質(zhì)基礎。下文簡要闡述通信技術的演進趨勢,并對半導體技術的發(fā)展趨勢作出簡析。
1 5G演進趨勢:Sub—6G+毫米波混合覆蓋模式將成為主流
根據(jù)3GPP標準,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、覆蓋范圍廣,能兼顧網(wǎng)絡速度和信號覆蓋,同時可以沿用現(xiàn)有的4G—LTE網(wǎng)絡,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、信號分辨率高等諸多優(yōu)勢,是5G發(fā)展的必然趨勢,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個頻段各具優(yōu)勢,未來較長時間內(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。當前,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、技術成熟度低導致5G覆蓋率低。
自iPhone12系列(美版)開始,支持毫米波頻段的5G智能手機開始了大面積普及之路。據(jù)天風國際分析,與2020年相比,全球5G毫米波基礎建設的覆蓋率將在2021年下半年顯著提升。根據(jù)當前銷量估計,iPhone13系列的毫米波機型比重將明顯增長至50%以上。作為對比,iPhone12系列的毫米波機型比例約為30%~35%。Omdia在其發(fā)布的《Smartphone Feature Forecast Database》報告中預測,隨著毫米波頻譜的商用應用增加,支持毫米波的5G智能手機份額(占所有5G智能手機的比例)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智能手機占比將會迅速攀升。
根據(jù)GSMA《5G毫米波技術白皮書》,中國IMT—2020(5G)推進組統(tǒng)籌規(guī)劃,分3個階段推進5G毫米波的試驗工作:2019年重點驗證5G毫米波關鍵技術和系統(tǒng)特性;2020年重點驗證5G毫米波基站和終端的功能、性能和互操作,2020—2021年開展典型場景應用驗證。2022年北京冬奧會上,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:從基站到終端,射頻材料面臨諸多考驗
5G通信既是在4G通信技術上的持續(xù)演進,又融合了多種新型的通信技術,可謂是近幾十年來通信技術的集大成者。從關鍵技術上看,5G基站主要引進了大規(guī)模天線陣列(Massive MIMO)技術,其可通過更多天線來大幅提高網(wǎng)絡容量和信號質(zhì)量,采用 Massive MIMO技術的5G基站不但可以通過復用更多的無線信號流提升網(wǎng)絡容量,還可通過波束賦形大幅提升網(wǎng)絡覆蓋能力。波束賦形技術則是通過調(diào)整天線增益空間分布,使信號能量在發(fā)送時更集中指向目標終端,以彌補信號發(fā)送后在空間傳輸?shù)膿p耗,大幅提升網(wǎng)絡覆蓋能力。從基站組成上看,4G基站設備由基帶單元(BBU)和射頻拉遠單元(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。
由于波長較短,5G毫米波設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)量可以達到256、512甚至1024,遠遠超過4G時代32個及以下的天線單元。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和應用示意圖。當前,業(yè)界選擇將毫米波天線與毫米波芯片封裝在一起,這種設計方式被稱作毫米波天線模組(antenna—in—package,AiP)??偠灾?G毫米波進展所需的頻段更高、帶寬更大,路徑損耗相對更大,對射頻器件的材料提出了更高要求:①禁帶寬度更大,以運行更高的頻帶;②臨界擊穿電場更高,以滿足更高功率的應用;③熱導率更高,更易將器件中的功耗傳導到周圍環(huán)境;④飽和電子速率和電子遷移率更高,寄生電阻小,以適應更高頻的工作環(huán)境。
與第1代半導體硅(Si,禁帶寬度1.1eV)、第2代半導體砷化鎵(GaAs,禁帶寬度1.4eV)相比,第3代寬禁帶半導體氮化鎵(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移動通信中使用到的核心基礎技術均傾向于使用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。射頻開關主要基于互補金屬氧化物半導體(CMOS)、GaAs和GaN材料(如圖3所示)。隨著毫米波應用的推廣,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。除以上2種主流技術外,還有藍寶石基氮化鎵(GaN—on—sapphire)以及氮化鎵同質(zhì)外延(GaN—on—GaN)技術。其中,GaN襯底由于成本過高、技術難度大,難以商業(yè)化應用;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,其技術趨勢是優(yōu)化大尺寸外延技術;GaN—on—SiC結合了SiC優(yōu)異的導熱性和的GaN高功率密度和低損耗的能力,是毫米波應用場景下綜合優(yōu)勢最明顯的材料。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)模應用將步入新臺階。
3 6G技術初探:InP有望支撐太赫茲電磁波通信技術
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,更加先進的通信技術被提上日程。2019年6月,工業(yè)和信息化部會同國家發(fā)展和改革委員會、科技部指導產(chǎn)業(yè)界成立了IMT—2030(6G)推進組,積極推進6G愿景需求研究、關鍵技術研發(fā)、標準研制及國際合作交流等各項工作。同年9月,芬蘭奧盧大學與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的關鍵驅(qū)動與研究挑戰(zhàn)》,對6G進行了系統(tǒng)闡述。業(yè)界普遍預期,6G的綜合性能將達到5G的10~100倍:數(shù)據(jù)延遲低于0.1ms、毫米級感知定位、傳輸帶寬有望達到Tb/s,能效為1納焦耳每比特以下,設備連接密度可達數(shù)百個/m3。
6G技術尚處于概念階段,關鍵技術仍在摸索之中。目前,業(yè)界研究的焦點在太赫茲通信,其被認為是6G的關鍵技術之一。以往,太赫茲電磁波已經(jīng)被用于軍事雷達探測、醫(yī)療成像等領域,其特點是通信頻率高、理論傳輸速率高達Tb/s級。由于波長短,太赫茲電磁波傳輸距離更短、易受障礙物干擾,當前的通信距離只有10m左右,短時間內(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,因此也會出現(xiàn)很多新型顛覆性技術??梢灶A期,6G的應用場景相對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)的進階)、智能工業(yè)(實現(xiàn)毫米級定位、比工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)更先進的解決方案)、全息通信(多維感官數(shù)據(jù)還原與增強現(xiàn)實)、全域高速通信(空天地皆可上網(wǎng)、100%深度覆蓋)等。
為推動6G通信技術在2030年左右實現(xiàn),業(yè)界還需要做相當大的努力,主要的技術難點包括超結構的超大規(guī)模天線技術、空天地融合技術和太赫茲電磁波通信技術。其中,太赫茲電磁波技術與半導體技術的發(fā)展息息相關。當今的標準硅器件技術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以上無線頻率實現(xiàn)高帶寬通信。有關報道證實, InP是目前射頻性能表現(xiàn)最好的半導體材料,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集團旗下的設備技術實驗室成功利用InP半導體材料,開發(fā)出在300GHz頻段下運行的6G芯片,單鏈路數(shù)據(jù)速率高達100Gb/s。同年10月,比利時微電子研究中心也展示了一款InP/CMOS混合型3D堆疊的6G芯片,單鏈路數(shù)據(jù)速率達到了80Gb/s。
10.19599/j.issn.1008-892x.2021.06.010