/ EN
0755-83044319

技术交流

Technology Exchange
技术交流
首页 -技术交流 -其他 -氮化镓(GaN)射频器件为新一代雷达“猛虎添翼”

氮化镓(GaN)射频器件为新一代雷达“猛虎添翼”

发布时间:2022-03-18作者来源:萨科微浏览:671

在军用市场,GaN 射频器件需求快速增长,根据《第3 代半导体发展概述及我国的机遇、挑战与对策》数据,仅战斗机雷达对GaN 射频功率模块的需求就将达到7500 万只。目前,美国海军新一代干扰机吊舱及空中和导弹防御雷达(AMDR)已采用GaN 射频功放器件替代GaAs 器件。


      射频技术的进步正在推动无线系统的发展。它是通讯和雷达的关键支撑技术,主要用于商业和军用航空、空中交通管制、气象服务、飞机对卫星通信、太空探索等导航和安全系统。   在这些领域早期应用的硅和砷化镓半导体,是无法与能够提供的更宽带宽、更高功率密度和更高效率的SiC基GaN器件所相提并论。   GaN 属于第三代半导体材料(又称为宽禁带半导体材料)。GaN 的禁带宽度、电子饱和迁移速度、击穿场强和工作温度远远大于Si 和GaAs,具有作为电力电子器件和射频器件的先天优势。GaN 如果配合SiC 衬底,器件可同时适用高功率和高频率。   在测试高功率宽带隙SiC基GaN射频器件时,雷达和通信系统的作用范围更广以及性能更长。SiC基的GaN HEMT器件的平均准确率为每十亿次/小时,仅有8.6次失败,平均寿命为6800年。

半导体材料的发展主要体现在三个方面:

1)衬底及外延材料向大直径发展;

2)材料质量和器件性能的提升;

3)成本和价格的下降推动产业发展。



         

GaN射频器件

应用于雷达的优势

雷达,即Radar(radio detection and ranging),是利用电磁波探测目标的电子设备,是“三军之眼,国之重器”!我们眼睛能看到周围事物,是因为太阳光或者灯光照射到物体上反射回来的光入射进入眼睛,抑或物体直接发光(如萤火虫等)进入眼睛。

雷达的原理也是这样,通过雷达发射组(Transmitter)发射电磁波,被目标物反射回来的回波被雷达接收组(Receiver)接收,经过一系列的滤波,放大等复杂信号处理和分析,根据回波信号的时延、多普勒频移、到达角和幅度,判断目标物的姿态、距离、速度和方位角等信息,从而用于搭载设施侦察、制导、火控等功能。

当然雷达同眼睛不一样的地方在于,雷达是主动发射电磁波并探测回波,而人眼只能被动接收光。

雷达为了看得更远,更清楚,需要发射组的功率更高(能传输到更远距离)、频率更高(更密集和快速获取反射波信息)。

同时为了适应各种不同环境作战,雷达希望能尽可能重量轻、体积小,以实现机载、舰载。T/R 组件是相控阵雷达的工作核心,含有大量射频芯片,例如功率放大器、低噪声放大器、环行器、移相器等,组成 T/R 组件的发射通道和接受通道,负责处理高频的电磁波信号。

雷达系统对射频芯片的性能要求极高。发射通道负责对激励信号进行放大,使激励信号的功率大大增强,信号功率越大,电磁波在空间中传播的距离越远,雷达的探测距离和探测精度都会越高。

GaAs半导体器件以其优良的频率和功率特性在上述雷达T/R 组件的固态微波射频功率器件中占据主导地位,但是GaN相比GaAs具有一些优势,GaN和GaAs的Johnson因子(综合评价半导体材料在功率和频率方面应用)分别为27.5和2.7

1)相比GaAs(禁带宽度 1.43eV),GaN材料的禁带宽度3.4eV,约为GaAs的2.4倍,GaN器件具有指数倍更高的击穿场强,可以在更高电压下工作。另外,更宽的禁带宽度使GaN材料具有指数倍数更低的本征载流子浓度(更高的温度才能使GaN材料的本征载流子浓度和掺杂载流子浓度相当),因此GaN器件在高温条件下工作可靠性较GaAs更好。

2)GaN材料大电场下有更高的载流子漂移速度,从而工作电流更大。GaAs材料在低电场室温下的电子迁移率很高,达到8800cm2/V.s, 但是在稍大电场下其迁移率急剧下降,变为负数,表现为载流子漂移速度急剧下降。

这是由GaAs的能带结构决定,除了在k=0的导带极小值,在<100>方向还存在0.36eV的能谷,增大电场,电子获取能量便会转移到此能谷中,即电子转移效应。

GaN材料虽然常温低电场下的载流子迁移率不如GaAs,但是在150kV/cm的高场强下,迁移率随电场虽有减小,但一直为正,表现为漂移速度一直增加。

在高场强条件下,GaN的饱和电子漂移速度(2.46&times;107cm/s)是GaAs的数倍之大(1&times;107cm/s),甚至远高于GaAs在低电场下的饱和漂移速度(1.8&times;107cm/s)。

GaN器件同时可以工作在更高电压和电流(电子漂移速度与电流密度相关)下, 因此在高功率应用中远胜GaAs,但GaAs 将继续在中低电压和中低功率应用领域发挥作用。

3)从热性能方面来说, SiC是GaN射频功率器件最好的衬底材料,SiC的导热性优于硅和蓝宝石,有助于实现GaN的高功率特性,且SiC的导热性比GaAs高10倍。虽然SiC衬底目前价格较贵,但对价格敏感度不高的军工产品来说不是问题,且SiC价格肯定会随着其材料技术的发展而降低。

前述GaN材料本身的宽禁带优势,加上更优良的热性能,使其相对GaAs器件优势更明显:GaN器件的沟道温度在同等可靠性条件下比GaAs高,而相同的沟道温度下,GaN的可靠性比GaAs高得多。

Qorvo GaN HEMT和GaAs赝调制掺杂异质结场效应晶体管(pHEMT),沟道温度为150℃时,GaN,GaAs的平均寿命分别为1&times;109小时,1&times;106小时。在1&times;106小时的平均寿命下,GaN(225℃)可工作在比GaAs(150℃)高75℃的环境中。

4)以上功率和散热可靠性方面优势,使GaN基射频器件在同样甚至更高的输出功率下,具有更小的体积,因此更有利于雷达系统体质微轻化,从而更适合机载、舰载等场合。

单极型GaN HEMT是主要的GaN射频器件结构,相比MESFETs, MISFETs等结构具有更高的载流子迁移率,而GaN p型掺杂的困难限制了双极型的GaN HBTs 结构性能。

GaN相比SiC(Johnson因子为20)在射频器件方面的优势在于,能与其他氮化物合金形成异质结,且AlGaN/GaN HEMT沟道载流子,相比SiC MESFETs具有快的迁移率和更高的浓度。但对更关注耐压和导通电流的功率半导体,SiC目前更具有优势。

相关的产品及研发进展

GaN微波射频器件得到了美国国防部高级研究计划局(DARPA)、美国国家航空航天局(NASA)、美国空军等各部门和军种的青睐,他们将GaN视为GaAs的替代品,持续提供GaN研发资金,GaN材料和器件技术迅速发展。

GaN军工科技产品的发展和成熟也促使产业界将相关技术转移至5G等商业领域,毕竟国防军工科技产品需求量不大。

而商业领域大规模量的需求和生产,也更加促进了GaN材料和器件技术的进一步提升。包括SixN Passivation、Field-Plated GaN HEMTs、Deep-Recessed GaN HEMTs、Metal-Oxide-Semiconductor HEMT (MOSHEMT)、Non-alloyed Ohmic Contacts和T-shaped Gate等更多的材料和器件技术及工艺在研发,以使GaN HEMT射频器件工作在更高频率(微波到毫米波段),更高输出功率和功率密度,更高功率附加效率(PAE)和具有更好的服役可靠性。

  • 德国弗劳恩霍夫研究所 在2019年的IEDM会议上报道了1-2GHz频率范围内,器件的工作电压从50V翻倍至100V,PAE达77.3%,125V电压的功率密度超过20W/mm。

  • 位于美国德克萨斯的GaN射频厂家Qorvo GaN 射频在Ka波段达到了35.5 dBm 饱和输出功率和 22% PAE,最大工作频率达到31GHz。

  • CREE GaN 2.7GHz-3.8GHz射频器件在50V工作电压下,最高输出功率为88W(3.1GHz)。

GaN微波射频器件是核心关键技术,在国外技术封锁情况下,我国包括西安电子科技大学、中电科13所55所、苏州能讯、国联万众和中兴通信等科研机构和产业公司在这方面探索创新,做出了不少成绩。

  • 西电320GHz毫米波器件,利用高界面质量的凹槽半悬空栅技术,器件的fmax达320GHz,在输出功率密度一定的情况下,PAE在30GHz频率下达到当前国际GaN基HEMT中最高值。

  • 苏州能讯推出了频率达6GHz、工作电压48V、设计功率从7W-65W的GaN功放管产品;

  • 2019年中电科13所和55所牵头的新一代射频芯片项目获得“国家科技进步一等奖”。

AMDR雷达

基于GaN 器件技术的雷达最耀眼的当属雷神公司为美国海军开发的AMDR(Air and Missile Defense Radar)雷达(现在的正式名称为AN/SPY-6)。

AMDR固态有源相控阵雷达代表了现今雷达的最先进水平,包括1部四面阵S波段雷达(AMDR-S)、1部三面阵X波段雷达(AMDR-X)以及1部雷达控制器(RSC)。

AMDR 在世界舰载雷达技术史上创造了多项突破,其中突出之一是第一次在大规模天线口径的舰载雷达上应用GaN T/R组件技术。

  • 这使得相比现役AN/SPY-1雷达:

  • 其总功率提高2倍,可达约10MW,同时工作时产生的雷达功率提高35倍以上;

  • 灵敏度提高70倍,高配版(可到30dB)信噪比(S/N)提高1000倍,

  • 探测距离提高2倍(AMDR-S超过400km,AMDR-X 对空超过200km) ,

  • 可探测的最小目标降低到一半,覆盖范围提高13倍,

  • 同时处理目标数30倍,同时跟踪目标数6倍,

  • 同时制导的飞行中导弹数量增加了3倍。

AMDR将首先安装在美国海军的阿利&middot;伯克级Flight III型防空反导驱逐舰上。除了AMDR雷达外,诺格公司(Northrop Grumman)也为美国海军陆战队研发生产基于GaN的AN/TPS-80 地面/空中多任务(G/ATOR,Ground/Air Task Oriented Radar)雷达系统,而GaN射频器件的应用项目还包括“下一代干扰机”、三坐标机动远程雷达(3DLRR)、“太空篱笆”系统、远程识别雷达、“爱国者”导弹及“萨德之眼”的升级改进等。

当然不得不提我国在前段正式下水,航母身边的"带刀护卫"—055型驱逐舰,它甚至被美国《国家利益》杂志评为世界“五大最致命战斗舰”排名首位。

055型驱逐舰使用的是最新型的数字阵列有源相控阵346B雷达,同时配备了L、S、C、X四种波段雷达,集成远程预警(L波段,1-2GHz,中心波长已经达到22cm)、搜索(S波段主雷达,2-4GHz,中心波长为10cm)、导弹制导(C波段,4-8GHz,中心波长5cm)和火控(X波段,8-12GHz,中心波长为3cm)功能。

2019年中电科14所参与研制的某重大项目获得国家科学技术进步一等奖,但官方介绍“项目过于先进不方便展示”,而055驱逐舰上装备的雷达即为中国雷达研发的心脏地中电科14所的成果—“大国重器,不明觉厉”!




免责声明:本文转载自“宽禁带半导体技术创新联盟”,本文仅代表作者个人观点,不代表萨科微及行业观点,只为转载与分享,支持保护知识产权,转载请注明原出处及作者,如有侵权请联系我们删除。

公司电话:+86-0755-83044319
传真/FAX:+86-0755-83975897
邮箱:1615456225@qq.com
QQ:3518641314 李经理  

QQ:332496225   丘经理

地址:深圳市龙华新区民治大道1079号展滔科技大厦C座809室

服务热线

0755-83044319

霍尔元件咨询

肖特基二极管咨询

TVS/ESD咨询

获取产品资料

客服微信

微信服务号