氮化镓（GaN）射频器件为新一代雷达“猛虎添翼”

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2022-03-18 02:29:37 0

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（2.46×10⁷cm/s）是GaAs的数倍之大（1×10⁷cm/s），甚至远高于GaAs在低电场下的饱和漂移速度（1.8×10⁷cm/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*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1×10⁹小时，1×10⁶小时。在1×10⁶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*研究计划局（DARPA）、美国*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，*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，*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所和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*GaN基HEMT中*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“*科技进步一等奖”。

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AMDR雷达

基于GaN 器件技术的雷达*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**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*舰载雷达技术史上创造了多项突破，其中突出之一是*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*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·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《*利益》杂志评为*“五大*致命战斗舰”排名首位。

055型驱逐舰使用的是*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*科学技术进步一等奖，但官方介绍“项目过于*不方便展示”，而055驱逐舰上装备的雷达即为*雷达研发的心脏地中电科14所的成果—“大国重器，不明觉厉”！

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