ACT半導體芯科技 - 6G與毫米波通信對材料之挑戰－鑽石舞台

作者: 陳來成博士, 浙江清華柔性電子技術研究院首席科學家

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1.前言

全球首屆6G峰會於2019年3月在芬蘭舉辦，來自各國的通信專家，商議擬定了全球首份6G白皮書，明確6G發展的基本方向；中國在「十四五」規劃綱要中也明確提出布局6G網絡技術儲備，並成立IMT-2030（6G）推進組，推進6G各項工作。2021年6月，推進組正式發布《6G總體願景與潛在關鍵技術》白皮書，揭示了6G潛在的架構與應用場景。然而，製作可以實現這些願景的基本器件，在技術層面上仍充滿了挑戰。尤其當6G頻率達到太赫茲(Terahertz)波段，無論是材料或是器件結構都有許多瓶頸，這些瓶頸在近十年中已有部分方案正在開發中。本文從白皮書所揭露的願景與技術指標中分析高頻波段對材料分子結構之影響，並從6G通信的各個功能環節剖析各器件在材料方面的技術瓶頸與解決方案，期盼能拋磚引玉為2030年6G的發展奠定健全的產業基礎。

通信技術的發展是近代生活形態產生巨大改變的技術之一。從1G到5G的技術發展過程中，把通信從語音傳遞、數字傳遞、因特網帶到雲端、寬帶，進而進展到物聯網。6G的願景則是在改變社會形態、發展高質量經濟與永續環境三大理念下，達到智能、沉浸與全面涵蓋的目標，並開拓沉浸式雲XR、全息通信、感官互聯、智慧交互、通信感知、普惠智能、數字孿生、全局覆蓋等八大應用場景，實現智能城市、智慧交通、自動駕駛、車聯網、工業物聯網、遠程醫療，AR/VR大視頻等願景。而這些願景則架構在大規模物聯網、低延遲信號的可靠傳遞與增強型移動寬帶等基礎上。6G通信關鍵的技術指標如圖1所示。其中峰值傳輸速度高達100Gbps~1Tbps；通信延遲小於0.1毫秒，終端鏈接密度高達107/km2。這些指標勢必驅動通信頻率往毫米波、太赫茲的高頻率頻譜推進。

△圖1：6G關鍵技術指標與其效能提升比較

太赫茲通信是6G核心關鍵技術之一。其中，太赫茲的頻段是電學與光學的交界過渡波段，而且一直以來，太赫茲間隙(Terahertz gap)就是科學與工程挑戰與拓荒頻譜段。近十年來在此波段的研發成果或將藉由6G通信的需求而大放異彩。

根據電磁波光子能量為普朗克常量和電磁輻射頻率的乘積(E=hv)可知，當通信頻譜從微波到毫米波，進而靠近太赫茲甚至到可見光波長，其能量逐漸增大，並逐漸達到影響分子的能力，如在微波範圍極性分子會受微波影響而轉動；當通信頻譜進入到太赫茲範圍，其能量就足以使氫鍵甚至共價鍵發生分子間的振動，進而影響材料的介電常數(如圖2所示)。因此，相較於過去低頻時代，在6G通信開發時對於材料的選用需及早關注與發展。下面就剖析通信機制的各環節，討論6G高頻通信下材料技術瓶頸與目前可能的解決方案。

△圖2：6G頻譜段在光譜位置與電磁波能量影響分子型態

靠近太赫茲甚至到可見光波長，其能量逐漸增大，並逐漸達到影響分子的能力，如在微波範圍極性分子會受微波影響而轉動；當通信頻譜進入到太赫茲範圍，其能量就足以使氫鍵甚至共價鍵發生分子間的振動，進而影響材料的介電常數(如圖2所示)。因此，相較於過去低頻時代，在6G通信開發時對於材料的選用需及早關注與發展。下面就剖析通信機制的各環節，討論6G高頻通信下材料技術瓶頸與目前可能的解決方案。

通信機制的主要環節是終端器件(如手機)與中樞(如基地台)透過天線收發進行信號傳遞，這些動作由多個模塊集合而成的系統完成，而模塊則是由芯片、被動組件、電路板所構成（如圖3所示）。6G通信器件材料會因為系統高頻化、微小化與集成化所帶來的散熱、電磁干擾等問題，進而產生新材料與新結構的需求。

△圖3：6G通信機制之硬件環節在高頻化、集成化與微小化對材料之挑戰

數字通信架構是由數字基帶芯片的調製解調功能，進行固定編碼、波束賦形控制等數字處理，然後經由AD/DA、中頻信號、混頻模塊、信號放大和波束賦形系統中的幅相控制等射頻收發系統芯片傳送到功率芯片，如圖4所示。

△圖4：各通信芯片功能與分工

其中，功率芯片包括功率放大器、低噪聲放大器、開關等功能，是毫米波與高頻通信的核心器件。對於6G高速與高功率需求，化合物半導體擁有比硅基半導體更適合高頻組件的先天特性(圖5)，如砷化鎵的電子遷移率是硅的6倍，因此比硅更適合做高頻組件。因此，可預見的是在毫米波範圍，化合物半導體組件如砷化鎵高電子遷移率晶體管(GaAs pHEMT)、氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN HEMT)和磷化銦異質結雙極型晶體管（InP HBT）等將會是主流。然而目前產生太赫茲以上頻率的芯片，是6G高頻段目前的瓶頸之一。

△圖5：化合物半導體特性比硅基更適合高頻、高壓組件，而太赫茲段芯片則有待開發

傳統產生太赫茲波段電磁波方式是利用速度極快的飛秒激光經過光導天線(photoconductive antenna)激發砷化鎵產生光電流，進而藉由電磁感應可以產生太赫茲波段電磁波。雖然目前藉由微機電的技術可以把透鏡、光導天線等組件微型化，但是整合激光光源仍有一定的難度。通過電子在量子阱導帶中子能級之間的躍遷實現激光發射的量子級聯激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)是產生太赫茲波的另一途徑。與傳統p-n結型半導體激光器原理不同，固態的量子級聯激光器的發光波長不是由半導體能隙來決定的。QCL激方案是利用在半導體異質結薄層內由量子限制效應引起的分離電子態之間產生粒子數反轉，從而實現單電子注入的多光子輸出，並可以通過改變量子阱層的厚度來改變發光波長。目前中紅外區域（2.75-25µm）激光器已經成熟商品化並應用於氣體偵測，是6G通信太赫茲波段具有潛力的技術(圖6)。

△圖6：利用太赫茲光導天線與量子級聯激光器可以產生太赫茲波段電磁波

芯片與許多被動組件被固定到電路板組成模塊，其中電路板是由介質層與金屬導電層組成。在6G高頻段下，介質層極性分子結構容易吸收能量造成訊號傳遞的損失與延遲。訊號在電路板傳遞速度/損失與介質層的介電常數(dielectric constant,Dk)、介電損耗(tand)的關係如圖7所示。

△圖7：高頻訊號傳遞速度與損耗需要低較電常數與介電損耗材料，目前PTFE、LCP適用於6G應用

由以上的公式可以看出低介電常數與低介電損耗是6G高頻電路板的必要條件。在高頻下能夠維持低介電常數與介電損耗的介質首推極性極低的氟系高分子(PTFE)與液晶高分子(LCP)材料。惟這兩種材料活性極低，成膜加工困難，是應用的瓶頸。

交流訊號在銅箔傳遞時，訊號深度(趨膚深度)與頻率有關，即所謂的趨膚效應。當頻率高達100 GHz時，趨膚深度為0.21µm，到1THz則為0.06µm(圖8)。因此，在6G應用時，恐怕得表面粗糙度極低的無輪廓銅箔方能滿足需求。

△圖8：6G高頻訊號傳遞的趨膚效應帶來極低表面粗糙度的銅箔規格

無輪廓銅箔所衍生的問題是銅箔與介電層鍵合的問題，尤其高頻使用的PTFE/LCP與無輪廓銅箔靠機械投錨效果的鍵合難以實現，浙江清華柔性電子技術研究院開發的表面分子化學修飾鍵合的方式，在LCP覆銅板開發找到解決方案。

天線是通信收發的重要組件，可以預見在6G高頻、短波長的情境下，無論是移動終端還是基地台的天線材料與結構都將有革命性的改變。

移動終端天線

天線尺寸與頻率成反比，到毫米波時天線尺寸可以低到毫米尺度，因此移動終端天線已經可以從獨立天線整合到模塊。隨着頻率從毫米波推進到太赫茲範圍，天線也從電路板發展到5G的封裝天線(Antenna in package, AiP)、片上天線（Antenna on chip, AoC）。到了6G，為了降低傳輸距離與尺寸微小化，天線陣列勢必與其他芯片高度整合，形成系統封裝(System on package, SoP)，結構如圖9所示。

△圖9：移動終端天線從電路板、AiP、AoP到SoP的演進

在太赫茲波段，天線接收電磁波後需要探測器將電磁波轉為電訊號。目前在0.1 THz到10THz的範圍內並沒有適用商品化的探測器。近幾年除了量子阱探測器(Quantum well photodetectors, QWP)外，如石墨烯、納米碳管等納米材料也被證實對太赫茲波段有高效率的探測能力，具有商品化的潛力，如圖10所示。

△圖10：QWP與納米材料太赫茲波偵測器

基地台天線

在6G無遠弗屆、普惠智能的願景與短波通信容易被屏障的限制下，具有低成本、低功耗、涵蓋大量頻率範圍、主動波束賦形的超大規模多進多出(ExtremeMIMO)天線技術是6G發展的關鍵技術之一，而可重構智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)通過對無線傳播環境的主動定製，可根據所需無線功能，如減小電磁污染和輔助定位感知等，對無線信號進行靈活調控。可重構智能表面RIS是實現6G全局覆蓋、無縫立體超級連接的關鍵。6G可重構智能表面的功能需求為自然界不存在的超材料(metamaterials)開創了一個非常龐大的應用空間(圖11)。

△圖11：6G可利用超材料對電磁波的調控性構建RIS基地台天線

通信技術從1980年代的1G發展至今40餘年，以每十年一個世代估算，物物互聯的6G時代大約在2030年。6G白皮書揭露了許多未來發展的願景與指標，但是這些願景與指針卻需要物理層面的系統、模塊與器件來實現，而材料則是構成這些物理層面器件的基本元素。在6G高頻太赫茲波段，電磁波已經達到可影響材料分子極性的能量。這對材料工程來說，是一個值得開拓的荒蕪區域。從太赫茲射頻發射與接收、低介電常數介質、無輪廓銅箔、到可重構智能表面的超材料等都是新材料開發的範疇。此外，因微型化帶來高度集成系統所衍生的散熱與電磁干擾問題，也需要有別於目前應用的新結構與新材料來解決。毫米波與6G通信對材料的挑戰無疑是巨大的，然此挑戰背後也隱含巨大的商機，值得現在就發掘與布局。

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