摘要：隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，6G通信技術(shù)成為未來(lái)通信領(lǐng)域的焦點(diǎn)。第三代半導(dǎo)體材料以其卓越性能，在6G通信中展現(xiàn)出巨大潛力。本文介紹了半導(dǎo)體材料的基本概念，重點(diǎn)探討了第三代半導(dǎo)體在6G通信中的挑戰(zhàn)，包括功能損耗、覆蓋范圍及高頻資源等問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，本文提出創(chuàng)新技術(shù)、人才培養(yǎng)、材料制備工藝改進(jìn)等方案。希望為6G通信技術(shù)的發(fā)展提供有益思路。

關(guān)鍵詞：第三代半導(dǎo)體；6G通信技術(shù)；氮化鎵；高頻段

一、引言

6G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是數(shù)字化社會(huì)的必然趨勢(shì)，其高速率、低延遲和高可靠性，可為物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域提供強(qiáng)大支持。6G通信對(duì)高頻段的需求使第三代半導(dǎo)體材料，如氮化鎵和碳化硅等備受關(guān)注。這些材料的高頻性能和高電壓特性使其成為6G研發(fā)的關(guān)鍵。本文首先介紹了半導(dǎo)體材料的基本分類與特性，分析了第三代半導(dǎo)體在6G通信中的重要作用及其面臨的挑戰(zhàn)。

半導(dǎo)體材料在導(dǎo)電性上介于導(dǎo)體與絕緣體之間，其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)賦予其特殊的電子行為。半導(dǎo)體納米材料更是展現(xiàn)出多種物理特性與優(yōu)勢(shì)，為科技發(fā)展提供了巨大動(dòng)力。在6G通信中，第三代半導(dǎo)體材料的高頻性能和高電壓特性尤為重要，但功能損耗、覆蓋范圍及高頻資源等問(wèn)題仍需解決。

二、半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀

半導(dǎo)體材料經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：以硅（Si）和鍺（Ge）為代表的第一代元素半導(dǎo)體，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等為代表的第二代半導(dǎo)體和以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）等寬禁帶半導(dǎo)體材料為代表第三代半導(dǎo)體材料[1]。表1為三代半導(dǎo)體材料在物理性能和主要應(yīng)用方面的對(duì)比。

第一代半導(dǎo)體材料是最早被研究和應(yīng)用于半導(dǎo)體技術(shù)的材料。硅是地殼中含量第二豐富的元素，以其為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體技術(shù)是現(xiàn)代電子工業(yè)的基礎(chǔ)。如表1所示，硅材料因其帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較低，在光電子器件以及高頻高功率應(yīng)用方面遭遇了不少限制。盡管如此，第一代半導(dǎo)體憑借其高度成熟的技術(shù)和較低的成本，依然在電子信息領(lǐng)域、新能源技術(shù)以及硅光伏產(chǎn)業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位并被廣泛使用。

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛進(jìn)步，以及基于光纖通信構(gòu)建的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，第二代半導(dǎo)體材料，諸如砷化鎵和磷化銦，開(kāi)始展現(xiàn)出其重要地位。。相較于第一代半導(dǎo)體材料，第二代半導(dǎo)體材料通常具有較高的電子遷移率和電子漂移速度[2]，并具有較寬的帶隙，可以滿足高頻和高速的工作環(huán)境，這使得它們被廣泛地應(yīng)用于衛(wèi)星通信、現(xiàn)代移動(dòng)通信、光通信、GPS導(dǎo)航等行業(yè)。值得注意的是，第二代半導(dǎo)體材料存在著顯著的缺陷，其中最突出的是，在高溫、高功率等極端環(huán)境下，其禁帶寬度和擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的性能無(wú)法滿足正常運(yùn)作的標(biāo)準(zhǔn)。

此外，第二代半導(dǎo)體材料的稀缺性、高昂成本以及潛在的毒性，不僅限制了其資源可用性，也對(duì)環(huán)境和人類健康構(gòu)成了不利影響，從而約束了它的廣泛應(yīng)用。第三代半導(dǎo)體材料，通常是指禁帶寬度大于或等于2.3eV的半導(dǎo)體材料，也被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料或高溫半導(dǎo)體材料，以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）等為代表[3]。第三代半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的物理和化學(xué)特性，如高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子遷移率、高熱導(dǎo)率、高抗輻射能力等。這些特性使得第三代半導(dǎo)體材料在高壓、高頻、高溫等極端環(huán)境下具有出色的性能表現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于射頻通信、雷達(dá)、衛(wèi)星、電源管理、汽車電子、工業(yè)電力電子等領(lǐng)域。

與GaN相比較，SiC發(fā)展更早，技術(shù)成熟度也更高。SiC熱導(dǎo)率高，在高溫下具有很好的可靠性，這使得其在高功率應(yīng)用中占據(jù)統(tǒng)治地位，適用于電力電子功率器件等領(lǐng)域。GaN具有更高的電子遷移率，因而其比SiC 或Si 具有更高的開(kāi)關(guān)速度，在高頻領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢(shì)，適合應(yīng)用于通信基站、消費(fèi)電子等場(chǎng)合。此外，GaN材料因其高度的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、高熔點(diǎn)以及堅(jiān)硬的質(zhì)地特性，成為了極端環(huán)境下的理想選擇；而ZnO則在熔點(diǎn)高、成本低等方面展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。

然而，目前很多寬禁帶半導(dǎo)體遇到很多的問(wèn)題，如雙極摻雜困難，只能在n型摻雜或p型摻雜中選一種，二者很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)[4]。此外，第三代半導(dǎo)體材料還存在制造設(shè)備、制造工藝以及成本的劣勢(shì)。但在5G和6G通信、新能源汽車、光伏、風(fēng)電領(lǐng)域等的驅(qū)動(dòng)下，第三代半導(dǎo)體材料正在高速發(fā)展。

三、第三代半導(dǎo)體在6G通信技術(shù)應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)

自2020年起，我國(guó)已正式步入5G商用時(shí)代。然而，當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)和性能指標(biāo)仍存在局限性，如通信覆蓋范圍較小，無(wú)法穩(wěn)定支持高速移動(dòng)設(shè)備如飛機(jī)等的通信需求。因此，發(fā)展6G通信技術(shù)勢(shì)在必行。相較于5G網(wǎng)絡(luò)，6G網(wǎng)絡(luò)具有傳輸時(shí)延低、信息儲(chǔ)量大、頻譜效率高、連接設(shè)備量大等優(yōu)點(diǎn)。最顯著的特點(diǎn)在于其全球廣泛覆蓋所帶來(lái)的多樣化：數(shù)據(jù)來(lái)源的多樣化、應(yīng)用的多樣化、通信手段的多樣化、計(jì)算的多樣化等，這使得6G網(wǎng)絡(luò)將具備更大的信息容量、更高的傳輸速率、更低的傳輸時(shí)延、更大的連接數(shù)量、更高的頻譜效率、更高的能量效率，從而支持更廣泛的應(yīng)用[5]。

6G的技術(shù)特征決定了其所依托的材料體系需要進(jìn)行大規(guī)模革新。基礎(chǔ)材料技術(shù)的發(fā)展是全面提升6G應(yīng)用性能的關(guān)鍵[6]。以GaN、SiC為代表的第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展為更先進(jìn)的6G通信技術(shù)打下了基礎(chǔ)。

第三代半導(dǎo)體材料的高穩(wěn)定性和優(yōu)異的耐極端環(huán)境性能，使其具備更強(qiáng)的耐受性，例如耐高溫、耐輻射等，成為6G通信擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的理想選擇。

盡管如此，第三代半導(dǎo)體材料在6G網(wǎng)絡(luò)通信下的發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如圖1所示。

首先是技術(shù)的成熟性。雖然第三代半導(dǎo)體材料在理論研究上已經(jīng)有了很大突破，但在實(shí)際應(yīng)用中，其技術(shù)成熟度仍然是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在6G通信技術(shù)中，對(duì)半導(dǎo)體器件的性能和集成度要求極高。這意味著需要使用更小、更復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)更高的集成度。然而，第三代半導(dǎo)體材料的加工和集成技術(shù)尚未完全成熟，這增加了器件制造和集成的難度，從而提高了成本?？偟膩?lái)說(shuō)，目前，第三代半導(dǎo)體材料的實(shí)際使用還不足以支撐6G網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行與投入使用。

其次是技術(shù)的可靠性。在6G通信系統(tǒng)中，半導(dǎo)體材料需要承受極高的工作頻率、功率和溫度等極端條件。大自然瞬息萬(wàn)變，目前的技術(shù)水平還無(wú)法設(shè)計(jì)出能夠適應(yīng)天氣變化的網(wǎng)絡(luò)。高頻信號(hào)更容易受到環(huán)境因素的影響，如雨、霧等天氣條件以及建筑物等障礙物。這些因素可能引起6G通信系統(tǒng)傳播延遲、信號(hào)衰減，從而影響6G系統(tǒng)的性能。再次，是來(lái)自頻譜與禁帶寬度的挑戰(zhàn)。通信技術(shù)從4G演進(jìn)到6G，對(duì)頻譜資源的需求呈現(xiàn)出爆炸式的增長(zhǎng)。6G通信技術(shù)預(yù)計(jì)將使用更高的頻率范圍，包括太赫茲頻段，以滿足更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和低延遲的要求。然而，第三代半導(dǎo)體材料在這一頻段的應(yīng)用面臨著一些挑戰(zhàn)。

第一，頻譜資源的稀缺性問(wèn)題。隨著無(wú)線通信技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，頻譜資源的可利用性正日益變得緊張。在6G時(shí)代，需要找到新的頻譜資源以滿足巨大的帶寬需求。然而，對(duì)高頻段頻譜資源的開(kāi)發(fā)和利用仍然處于初級(jí)階段，面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。

第二，第三代半導(dǎo)體材料在高頻段的應(yīng)用可能會(huì)受到傳播特性的限制，導(dǎo)致通信覆蓋范圍有限[7]。

第三，隨著頻率的提高，半導(dǎo)體材料的功耗也會(huì)相應(yīng)增加。這可能導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重，進(jìn)而影響設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

第四，是來(lái)自材料成本方面的挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體相比，第三代半導(dǎo)體材料，如氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的制備成本通常更高。這主要是因?yàn)樗鼈兊纳a(chǎn)和加工過(guò)程更為復(fù)雜，需要更精密的設(shè)備和技術(shù)。此外，這些材料的稀有性和供應(yīng)鏈的不確定性也可能導(dǎo)致成本上升。這種情況不僅增加了生產(chǎn)時(shí)間和人力成本，還可能提高生產(chǎn)過(guò)程中的廢品率，隨之而來(lái)的一個(gè)更大的問(wèn)題則是對(duì)生產(chǎn)機(jī)器的要求更高[8]。

四、第三代半導(dǎo)體材料在6G通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用問(wèn)題的應(yīng)對(duì)策略

為了解決高頻段通信中的傳輸損耗問(wèn)題，突破覆蓋范圍限制，需要研發(fā)具有更高頻率響應(yīng)和更低損耗的第三代半導(dǎo)體材料。同時(shí)，探索新的器件結(jié)構(gòu)和工藝，以提高信號(hào)傳輸效率和穩(wěn)定性[9]?？刹捎孟冗M(jìn)的信道編碼、信號(hào)檢測(cè)、干擾抑制等技術(shù)，提高信號(hào)的抗干擾能力和傳輸可靠性。同時(shí)，通過(guò)增加基站數(shù)量、優(yōu)化基站布局、采用高性能傳輸設(shè)備等方式，可以提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和傳輸效率。

針對(duì)第三代半導(dǎo)體材料在成本方面的問(wèn)題，需要通過(guò)改進(jìn)材料制備工藝、優(yōu)化生產(chǎn)條件、使用先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，提高第三代半導(dǎo)體材料的制備效率。這有助于降低材料的生產(chǎn)成本，從而減少整個(gè)通信系統(tǒng)的成本。同時(shí)，采用規(guī)?；a(chǎn)，通過(guò)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)第三代半導(dǎo)體材料的規(guī)?；a(chǎn)，可以降低單位產(chǎn)品的成本。規(guī)?；a(chǎn)還有助于提高材料的質(zhì)量和穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。

五、結(jié)束語(yǔ)

6G通信網(wǎng)絡(luò)將是未來(lái)的研究重點(diǎn)。第三代半導(dǎo)體材料作為一種具備極大潛力的新型材料，在經(jīng)過(guò)進(jìn)一步深入探索和應(yīng)用研究后，支撐6G通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。第三代半導(dǎo)體材料具有出色的高頻性能和高電壓特性，能夠在更高的頻率下工作，滿足6G通信對(duì)高頻段的需求。這將有助于實(shí)現(xiàn)更高速的數(shù)據(jù)傳輸和更寬的通信帶寬，為6G通信提供更強(qiáng)大的技術(shù)支持[10]。然而，第三代半導(dǎo)體材料在6G通信技術(shù)中的應(yīng)用仍面臨一些挑戰(zhàn)，如技術(shù)成熟度不夠、成本較高、頻譜與帶寬限制等。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，需要加大研發(fā)投入、加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作、推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和升級(jí)、建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等措施。同時(shí)，政府、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)等各方也需要形成合力，共同推動(dòng)第三代半導(dǎo)體材料在6G通信技術(shù)中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

作者單位：周泓霖 河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院

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