5G通信技术关键材料发展研究

材料性能的要求

1.1 5G通信技术发展背景

信息技术领域已成为提升国家科技创新实力、推动经济社会发展和提高整体竞争重要的动力引擎。5G是开启工业数字化和物联网新时代的新一代基础生产力。世界各国把抢占5G通信技术的至高点作为国家发展的重要战略，不管是在关键元器件、上游材料制备还是在网络部署等方面都开始积极布局，抢先发展先机。

2014年初，美国总统奥巴马宣布组建“下一代功率电子技术国家制造业创新中心”，重点发展下一代功率电子技术，以支持美国5G通信技术的发展。2018年3月美国政府宣布将采用白盒设备部署6万个5G宏站及5G小基站，并于年底推出5G通信服务。早在2013年，欧盟先后启动METIS以及5G PPP项目，专注5G研究。同时，欧洲启动了产学研项目“LAST POWER”，由意法半导体公司牵头，协调来自意大利、德国等6个欧盟国家的企业、大学和公共研究中心，联合攻关5G通信中的关键功率电子技术。2013年9月，日本设立了“2020 and Beyond AdHoc”项目，支持5G技术在未来10年的发展。2016年1月，日本总务省成立5G技术研究小组，并且由大阪大学牵头，协同罗姆、三菱电机、松下电器等18家知名企业、大学和研究中心，建立了“下一代功率半导体封装技术开发联盟”，共同开发适应碳化硅（SiC）和氮化镓（G a N）等下一代功率半导体的先进封装技术，以支持本国5G通信技术的发展。韩国是全球最早开展5G研究的国家之一，早在2013年6月，韩国以S K T牵头，启动了5G Forum，汇聚韩国内外知名企业，致力于打造韩国的5G产业生态。此外，韩国在2015年推出了以5G发展总体规划为主要内容的“未来移动通信产业发展战略”，决定在2020年全面推出5G商用服务，并将为此投资1.6万亿韩元。

我国是5G通信技术发展较快的国家，在网络建设与构架设计领域已经走在世界前沿，并处于领跑位置，但是在关键上游材料领域依然落后。

1.2 5G通信技术对相关材料性能的要求

与传统4G等通信技术相比，5G通信技术接入工作器件需满足全频谱接入、高频段乃至毫米波传输、超高宽带传输3大基础性能要求，其制备材料则需要具有实现大规模集成化、高频化和高频谱效率等特点。

1.1.1 大规模集成化

大规模集成化需要将大量晶体管组合到单一芯片中，在有限的空间实现复杂芯片指令。5G通信要求通信芯片能够有效利用各频段通信频谱资源（包括：传统通信技术的低频波段、5G规划的高频波段及更高的毫米波）来提升数据传输速率和系统容量。芯片的大规模集成化是实现全频谱接入的关键性技术工艺。以5G手机为例，其应用频段数超过91个，每个频段仅射频前端模塊需要9个运算芯片，需要大量芯片在有限空间内的集成。因此，需要原材料从芯片设计、晶圆生产、芯片生产等各个环节同时满足大规模集成化的需求，比如大的晶圆尺寸、优化的器件结构等。

1.1.2 高频化

目前3GHz以下的电磁波段基本都被现有的通信技术占据，5G可用的电磁波段均为3 GHz以上的高频乃至毫米波段。高频率电磁波段可以提供极大的数据传输速度和容量，但其传输更容易造成路径受阻和能量消耗等问题。实现高频波段在5G中的高效应用，需要功率放大器能将通信终端中的信号波放大至所需高频波段内，同时接收高频电磁波信号的终端对高频电磁波具有快速响应能力。因此需要功率半导体芯片对电磁波信号具有较高的接收灵敏度，一是要求金属—氧化物—半导体（MOS）栅极材料具有高介电常数和低介电损耗等，二是需要源极和漏极的材料能够实现载流子的快速响应。

1.1.3 高频谱效率

在增强的移动互联网应用场景，互联网设备互联场景，车联网、应急通信、工业互联网等垂直行业应用场景的3大5G通信应用场景中，提供低延时和高可靠的信息交互能力，支持互联实体间高度实时和精密的业务协作，至关重要。因此需要5G器件相关材料具有高速化，能在单位时间和单位频谱宽度内尽可能的传输更多的字节数。初步估计，5G基站的峰值频谱效率需要不低于20Gb/s。高频谱效率实现一是需要优化天线布局，二是需要相关材料具有高电子迁移率。

2 5G通信技术主要材料的发展现状

按照5G通信技术主产业链进行划分，主要应用关键材料可以分为器件材料、天线材料、光线传输材料和封装材料等4大类。

2.1 器件材料

2.1.1 射频芯片材料

2.1.1.1 主要材料

在5G通信技术中，需要大量的中高频器件，主要包含滤波器、功率放大器、低噪声放大器、射频开关等。化合物半导体材料是制备这些器件的核心关键材料。化合物基半导体材料主要包括砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等化合物半导体，具备禁带宽度大、电子迁移率高、直接禁带等性能，可以实现高频谱效率、大频率波处理、低延时响应等功能。化合物半导体材料未来将在5G、物联网、智能汽车等应用领域得到广泛应用。

2.1.1.2 技术发展概况

化合物材料的制备主要包括纯衬底材料和外延材料。在制造微波射频器件行业，目前主流的应用是以4英寸SiC外延GaN的技术路线。预计到2020年，随着6英寸SiC衬底价格不断下降，6英寸外延技术将成为未来发展的重点。纯衬底材料在射频器件方面的应用主要是以GaN衬底材料的同质外延。目前，主流的外延方法是氢化物气相外延（HVPE）法，主要被日本住友电气工业株式会社（以下简称“住友电工”）和三菱化学公司掌握。我国从事GaN衬底外延生长的企业主要是苏州纳维科技公司（以下简称“苏州纳维”）和东莞中镓半导体科技公司（以下简称“东莞中镓”）。虽然我国在化合物半导体材料技术方面起步晚，但是发展迅速。在GaN材料方面，我国已经实现2英寸年产1 500片，4英寸衬底已推出产品，目前正在开展6英寸衬底研发。

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