在未来数年内,仍有数不清的机遇推动 5G 射频技术创新,而半导体工艺技术的发展无疑将扮演重要角色。从整个行业来看,从工艺和材料开发到设计技巧和建模,再到高频测试和制造,仍有很多工作需要完成。在实现 5G 目标的道路上所有学科都将参与其中,而半导体工程材料技术是重中之重。

 

“随着 5G 技术的出现,现在成为一名射频微波工程师是一件令人激动的事情。在我们通往 5G——下一代无线通信系统的道路上,工程设计社区有着数不清的挑战和机遇。”ADI 公司无线技术部总监 Thomas Cameron 博士曾经撰文指出,作为射频从业人员对 5G 的到来充满期待,“5G 代表着移动技术的演进和革命,已达到无线生态系统各个成员迄今发布的多项高级别目标。”如何迎接 5G 带来的机遇和解决相伴而来的挑战?在前不久的中国之行中,Thomas 面对中国媒体采访侃侃而谈,其中半导体工艺技术成为其中重要的一环。

 

5G18052801 ADI 无线技术部总监 Thomas Cameron 纵谈 5G 应用挑战

 

半导体工艺技术路线在 5G 之后的“新常态”

半导体工艺技术的发展路线几乎是全球电子技术核心技术发展的主要轨迹。第一代半导体材料以硅几乎数十年“霸屏”全球半导体产业,至今半导体器件和集成电路绝大多数都是基于硅材料。上世纪 90 年代以来,随着光纤通讯和互联网的高速发展,促进了以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料的发展需求,成为制造高性能微波、毫米波器件及发光器件的优选材料,广泛应用于光通信、无线通讯、GPS 导航等领域。

 

第三代半导体材料主要包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石等,因其高禁带宽度特性(大于或等于 2.3 电子伏特,又被称为宽禁带半导体材料),以及具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点,收到业内固态光源、电力电子、微波射频器件制造商的青睐,成为光电子和微电子等产业的“新发动机”。

 

为了满足 5G 时代三大场景的业务需求,5G 对系统及器件提出了高速、宽带、低功耗、高频及低时延等多项技术要求。比如,5G 系统的工作频率从低频到 100GHz,瞬时带宽从 20MHz 到 1GHz,功率放大器的平均输出功率从几 W 到几十 W。此外,5G 系统还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。与当前成熟的 Sub 6GHz 的 5G 技术相比,寄予业界更大期待的微波和毫米波 5G 技术面临更大的挑战,半导体工艺技术的创新与变革首当其冲。

 

百花齐放的 5G 半导体工艺技术族谱

毫米波 5G 的一个信号链,其实在这里面有涉及很多不同的技术,例如低频的地方数字和转化器可以使用 CMOS 工艺,再往前端走像变频器这些集成电路会用一些 SiGe 工艺,然后到靠天线这个地方,再用砷化镓或者氮化镓的工艺,所以这是有很多技术的不同工艺技术的结合。“ADI 是业界里面唯一一家能够提供从数字到整个天线这一整个 solution 的一个厂商。” Thomas 表示。

 

“GaAs 多年来一直是微波行业的主流技术,一流的微波系统通常采用 GaAs 元件实现。但 SiGe 工艺正在克服高频工作障碍,以便在多项信号路径功能上与 GaAs 一较高下。” Thomas 指出,“特别是高性能微波 SiGe Bi CMOS 工艺具有波束成形系统所需的高集成度,惠及很多信号链以及辅助控制功能。”波束成型技术被认为未来 5G 微波和毫米波通信的关键技术。

 

 

ADI 覆盖了从 DC 到 100GHz 的全部无线频段。

 

“取决于每个天线所需的输出功率,可能需要采用 GaAs PA。然而,在微波频率下甚至 GaAs PA(功率放大器)都效率较低,因为它们在线性区域内通常会发生偏移。” Thomas 表示,微波 PA 的线性化是探索 5G 时代的必然选择,此趋势相比过去有过之而无不及。

 

那么作为传统集成电路的“霸主”CMOS 技术在 5G 应用中将有哪些机会,能否占有一席之地?“各种文档都已明确指出,CMOS 适合大规模调整(scaling),这点在 60 GHz 的 WiGig(无线千兆网络)系统中已经得到了验证。” Thomas 肯定的表示。值得指出的是,ADI 在微波应用的 CMOS 半导体技术上的探索走到了业界前面,先后推出了多款创新的 28nm CMOS 高速转换器,针对 4G/5G 多频段无线通信基站、多标准生产测试系统和防御电子产品等 GHz 带宽应用场合而设计。“CMOS 在 5G 的应用上具有高集成度低功耗和低成本的优势,目前 ADI 在更小的工艺尺寸去挑战并取得成就,这也是 ADI 未来努力的一个方向。” Thomas 表示。

 

“考虑到目前尚处于开发的早期阶段,且使用案例也不甚明确,因而很难说 CMOS 是否、或者何时会用作 5G 无线电的技术选择。”Thomas 指出,“首先必须完成很多通道建模和使用案例方面的工作,以便总结无线电规格以及未来使用微波 CMOS 的可行性。”这方面的技术探索无疑还会是未来市场竞争的焦点。

 

 

从数字信号到毫米波信号,不同的优势的半导体工艺技术覆盖了整个信号链。

 

本文总结:

在未来数年内,仍有数不清的机遇推动 5G 射频技术创新,而半导体工艺技术的发展无疑将扮演重要角色。正如前文所述,严格的系统工程通过在整个信号链中采用最好的技术实现最佳的解决方案。从整个行业来看,从工艺和材料开发到设计技巧和建模,再到高频测试和制造,仍有很多工作需要完成。在实现 5G 目标的道路上所有学科都将参与其中,而半导体工程材料技术是重中之重。