決定5G未來的將會是哪些半導體工藝技術？

「隨著5G技術的出現，現在成為一名射頻微波工程師是一件令人激動的事情。在我們通往5G——下一代無線通信系統的道路上，工程設計社區有著數不清的挑戰和機遇。」ADI公司無線技術部總監Thomas Cameron博士曾經撰文指出，作為射頻從業人員對5G的到來充滿期待，「5G代表著移動技術的演進和革命，已達到無線生態系統各個成員迄今發布的多項高級別目標。」如何迎接5G帶來的機遇和解決相伴而來的挑戰？在前不久的中國之行中，Thomas面對中國媒體採訪侃侃而談，其中半導體工藝技術成為其中重要的一環。

ADI無線技術部總監Thomas Cameron縱談5G應用挑戰

半導體工藝技術路線在5G之後的「新常態」

半導體工藝技術的發展路線幾乎是全球電子技術核心技術發展的主要軌跡。第一代半導體材料以硅幾乎數十年「霸屏」全球半導體產業，至今半導體器件和集成電路絕大多數都是基於硅材料。上世紀90年代以來，隨著光纖通訊和互聯網的高速發展，促進了以砷化鎵(GaAs)為代表的第二代半導體材料的發展需求，成為製造高性能微波、毫米波器件及發光器件的優選材料，廣泛應用於光通信、無線通訊、GPS導航等領域。

第三代半導體材料主要包括碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、金剛石等，因其高禁帶寬度特性（大於或等於2.3 電子伏特，又被稱為寬禁帶半導體材料），以及具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點，收到業內固態光源、電力電子、微波射頻器件製造商的青睞，成為光電子和微電子等產業的「新發動機」。

為了滿足5G時代三大場景的業務需求，5G對系統及器件提出了高速、寬頻、低功耗、高頻及低時延等多項技術要求。比如，5G系統的工作頻率從低頻到 100GHz，瞬時帶寬從20MHz 到 1GHz，功率放大器的平均輸出功率從幾W到幾十W。此外，5G系統還需要具有更高的工作效率，更低的能耗及更低的成本要求等。與當前成熟的Sub 6GHz的5G技術相比，寄予業界更大期待的微波和毫米波5G技術面臨更大的挑戰，半導體工藝技術的創新與變革首當其衝。

百花齊放的5G半導體工藝技術族譜

毫米波5G的一個信號鏈，其實在這裡面有涉及很多不同的技術，例如低頻的地方數字和轉化器可以使用CMOS工藝，再往前端走像變頻器這些集成電路會用一些SiGe工藝，然後到靠天線這個地方，再用砷化鎵或者氮化鎵的工藝，所以這是有很多技術的不同工藝技術的結合。「ADI是業界裡面唯一一家能夠提供從數字到整個天線這一整個solution的一個廠商。」 Thomas表示。

「GaAs多年來一直是微波行業的主流技術，一流的微波系統通常採用GaAs元件實現。但SiGe工藝正在克服高頻工作障礙，以便在多項信號路徑功能上與GaAs一較高下。」 Thomas指出，「特別是高性能微波SiGe Bi CMOS工藝具有波束成形系統所需的高集成度，惠及很多信號鏈以及輔助控制功能。」波束成型技術被認為未來5G微波和毫米波通信的關鍵技術。

ADI覆蓋了從DC到100GHz的全部無線頻段。

「取決於每個天線所需的輸出功率，可能需要採用GaAs PA。然而，在微波頻率下甚至GaAs PA（功率放大器）都效率較低，因為它們在線性區域內通常會發生偏移。」 Thomas表示，微波PA的線性化是探索5G時代的必然選擇，此趨勢相比過去有過之而無不及。

那麼作為傳統集成電路的「霸主」CMOS技術在5G應用中將有哪些機會，能否佔有一席之地？「各種文檔都已明確指出，CMOS適合大規模調整（scaling），這點在60 GHz的WiGig（無線千兆網路）系統中已經得到了驗證。」 Thomas肯定的表示。值得指出的是，ADI在微波應用的CMOS半導體技術上的探索走到了業界前面，先後推出了多款創新的28nm CMOS高速轉換器，針對4G/5G多頻段無線通信基站、多標準生產測試系統和防禦電子產品等GHz帶寬應用場合而設計。「CMOS在5G的應用上具有高集成度低功耗和低成本的優勢，目前ADI在更小的工藝尺寸去挑戰並取得成就，這也是ADI未來努力的一個方向。」 Thomas表示。

「考慮到目前尚處於開發的早期階段，且使用案例也不甚明確，因而很難說CMOS是否、或者何時會用作5G無線電的技術選擇。」Thomas指出，「首先必須完成很多通道建模和使用案例方面的工作，以便總結無線電規格以及未來使用微波CMOS的可行性。」這方面的技術探索無疑還會是未來市場競爭的焦點。

從數字信號到毫米波信號，不同的優勢的半導體工藝技術覆蓋了整個信號鏈。

本文總結：

在未來數年內，仍有數不清的機遇推動5G射頻技術創新，而半導體工藝技術的發展無疑將扮演重要角色。正如前文所述，嚴格的系統工程通過在整個信號鏈中採用最好的技術實現最佳的解決方案。從整個行業來看，從工藝和材料開發到設計技巧和建模，再到高頻測試和製造，仍有很多工作需要完成。在實現5G目標的道路上所有學科都將參與其中，而半導體工程材料技術是重中之重。

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