氮化镓技术在雷达中的应用现状与发展趋势

文/蔡志清

由于GaN器件比GaAs和磷化铟（InP）器件具有更大的输出功率、更好的频率特性、更高的瞬时带宽、更高的可靠性和热导率等优越性，因此，美国军方于21世纪初就开始致力于GaN技术的研发，并计划将现有的雷达、通信和电子战等军事电子装备中的GaAs器件逐步替换成GaN器件。据美国“战略分析（Strategy Analytics）”2017年6月的统计，国防和航天应用占了GaN器件总市场规模的40%，其中雷达和电子战系统在GaN器件市场中占有份额为最大。

1 前言

自20世纪90年代，GaAs器件制造技术已相当成熟，并已普遍应用于通信、雷达和电子战系统等军事电子装备中。随着第三代半导体材料关键技术的不断突破，第三代半导体器件-GaN和碳化硅（SiC）单片微波集成电路（MMIC）制成的T/R 组件已开始用于ESAR雷达中，尤其是GaN MMIC在T/R组件中的应用，ESAR雷达的性能得到了进一步提高。

GaN器件跟第一代的Si器件和第二代的GaAs器件相比，其具有宽禁带宽度、高导热率、40W/mm的高功率密度、200℃以上的耐高温特性、高可靠性等特性。美国雷声公司对GaN器件进行了长达1000h的可靠性测试，其性能没有降低，这表明此器件在军事电子装备中向实用化方向迈出了重要的一步。

2 宽禁带半导体异军突起

在S波段以下，硅基（Si）微波功率器件仍能满足多功能相控阵雷达的功率要求，但在S波段以上，如硅化锗（SiGe）、GaAs和磷化铟（InP），以及宽禁带半导体微波功率器件GaN和碳化硅（SiC）等化合物半导体微波功率器件取代了硅基器件，由图1可以看出，化合物半导体微波功率器件的耐功率与低噪声性能更适合用于多功能相控阵雷达。

图1：微波功率器件射频功率与频率关系

2.1 第二代半导体材料-砷化镓(GaAs)

GaAs器件电子特性比Si器件要好，可以用于工作频率在250GHz以上且功率高的电子装备，因此，GaAs器件至今在移动通讯、卫星通讯、微波通讯、雷达和电子战系统等领域仍有应用前景。

GaAs器件是军事电子装备的重要部件，曾在20世纪90年代的海湾战争中大显神威，赢得“砷化镓打败钢铁”的美名。

目前，国外半导体制造业中已不生产2英寸和3英寸的Si-GaAs，而已形成可大规模制造4英寸的Si-GaAs高技术产业链，并进入军民应用领域。为提高GaAsMMIC的性价比，目前国外发展的明显趋势是研制6英寸Si-GaAs，并促使其商品化进程。

2.2 第三代半导体材料-氮化镓(GaN)

GaN是具有工作温度高、禁带宽度宽的一种半导体器件，其构型一般是六方纤锌矿结构，原子体积大约为GaAs的一半。

GaN作为第三代半导体材料的主要特征是它是宽禁带，与硅或者其他三五价器件相比，GaN器件速度更快，击穿电压也更高。在ESAR雷达中，采用GaN制作的T/R组件能够放置得离天线更近，使雷达在结构变得轻型和小型化。

GaN技术的关键是缩小工艺尺寸。目前，GaN工艺尺寸正在从0.25µm~0.5µm向0.15µm转换，并正在努力开发60nm。

2.3 第四代氮化镓场效应电晶体（eGaN FET）

eGaN FET器件与MOSFET器件（硅基金属氧化物半导体场效应晶体管）相比较，具有更细且更高效、更强的化学键，可以承受高出很多倍的电场而不会崩溃，可以把晶体管的各个电端子之间的距离缩短10倍（通常D-PAK封装的MOSFET尺寸为65mm2，而采用超小型LGA封装的eGaN FET面积只有5.76mm2），可以实现更低的电阻损耗，以及具备更短的电子转换时间，还具有极佳的散热性能。

与第三代GaN器件相比，第四代eGaN FET器件可以大大降低阻抗，阻抗只是1 mΩ，即降低了阻抗达2.6倍。从而使得基于eGaN FET 的DC/DC转换器具备更大电流及高功率密度。eGaN FET开创了GaN的新时代，未来可以更低的成本和更高效率替代功率MOSFET。最后，更高压的eGaN FET器件、以及模拟电路与电源电路的集成将进一步增加eGaN FET的性能，及实现更低的成本。

3 GaN技术的最新进展

近十多年来，由于雷达和电子战等军事电子装备发展的迫切需求，GaN技术受到国外日益重视，尤其美国军方投入了大量人力和资金研发，取得了很大成功并得到实际应用。

3.1 柔性GaN技术

柔性GaN技术是将GaN材料生长在氮化硼（BN）上，利用BN和GaN生长表面之间的弱化学键，使得GaN能够转移到另一个衬底上，从而在独特的平台和器件上实现传输功能。

3.2 多样化可用异质集成（DAHI）GaN晶圆技术

DAHI技术是将先进的化合物半导体器件、以及其它新型半导体材料和器件与高密度Si基CMOS技术结合在一起，可以通过多种方式将InP异质结双极晶体管（HBT）与亚微米Si基CMOS实现异质集成。

图2：多样化可用异质集成（DAHI）GaN晶圆

DAHI器件能够在输出端提供更高的转换频率和更大的动态范围，尤其是在数模转换器方面，利用DAHI能够赋予旧节点更多的能力。洛克希德·马丁公司于2005年研制的GaN功率放大器采用了DAHI-GaN晶圆技术（见图2），并已进入第三次迭代过程。2011年12月，GaN基本发展成熟并可以投入生产，目前正从4英寸晶圆过渡到6英寸晶圆。

3.3 下一代氮化物电子技术（NeXt）

NeXt技术是将硅晶体管的应用经验转化到GaN上，从而为宽禁带半导体（WBGS）制造缩小版的GaN晶体管，以更精细的栅极间距和线路，提升频率性能。GaN器件的工作频率提高到500MHz，在大规模一体化进程中同时保持高击穿电压。这将有利于下一代高动态范围的混合信号技术和RF高频电源技术。NeXt技术将为美国军事和航天系统提供性能和功能上的显著改善。

3.4 芯片内/芯片间增强冷却（IceCool）技术

IceCool技术是解决随着功率密度的增大带来的热管理问题，将冷却技术集成到芯片内部，从根源上解决问题。洛克希德·马丁公司于2016年3月通过试验验证了IceCool技术的有效性，在存在多个30kW/cm2热点的条件下验证了1kW/cm2芯片级热通量散热能力，并对高功率RF放大器进行冷却，验证了可以使RF输出功率提高6倍以上。

4 GaN技术在雷达中的应用实例

随着GaN技术的不断成熟，美国军方希望将成熟的GaN器件应用于新的雷达系统，因而军工企业中的巨头们诸如雷声公司、诺斯罗普·格鲁曼公司、洛克希德·马丁公司和泰利斯公司等，都在开始更换现有雷达系统中的GaAs器件，AESA雷达是最早采用GaN器件。

4.1 “太空篱笆”(Space Fence)系统

2005年，美国空军为探测和跟踪太空碎片，在海军1961年建造的“空间监视系统（NAVSPASUR）”基础上，构建新一代“太空篱笆(Space Fence)”系统，采用S波段陆基雷达系统，能跟踪超过20万个直径大于2cm的物体。

美国国防部高级研究计划局（DARPA）认定GaN器件为这一系统的关键技术，洛克希德·马丁公司承担“太空篱笆”的系统初始设计评审时，GaN功率放大器采用了DAHIGaN晶圆技术。2011年12月，GaN基本发展成熟并可以投入生产，2012年实现了技术成熟度（TRL）7级。2014年6月，达到制造成熟度（MRL）9级。2014年7月，GaN达到TRL9级，性能、成本和产能全部达标，并具备全速率生产的能力，而且所有的GaN功率放大器均已在2015年8月底交付使用，正加紧生产整个雷达。“太空篱笆”系统于2015年在新泽西州进行GaN基AESA测试，预计2018年底具备全作战能力。

据洛克希德·马丁公司的测试报告，基于GaN器件的“太空篱笆”系统可以无故障地可靠运行20年。

4.2 三坐标远程雷达（3DELRR）

美国空军于2011年1月启动三坐标远程雷达（3DELRR）项目，要求该项目采用GaN芯片。洛克希德·马丁公司最早参与3DELRR研制，2011年12月声称，采用GaN技术建造高功率L波段发射机，GaN达到TRL7级。

新一代3DELRR雷达系统采用GaN芯片替代GaAs，提升了可靠性，降低了系统运行和维护成本，同时为作战人员提高了系统的可操作性。3DELRR系统由于采用GaN基AESA而可大量处理未来敌方先进无人机（UAV）、固定翼飞机、直升机、弹道导弹和巡航导弹的区域和近距离袭击。

4.3 驱逐舰防空反导雷达（AMDR）

AMDR主要安装在美国海军FlightⅢ型“阿利·伯克”级（DDG-51型）驱逐舰上，是一种双波段雷达系统，由一部S波段远程雷达（AMDR-S）、一部X波段中/近程多功能雷达（AMDR-X）构成。

AMDR-S的主要关键技术之一是T/R组件采用GaN替代GaAs，功率密度提高一级，承受的工作电压、电流是两倍以上，热传导效率也提高7倍，但AMDR系统中仍有若干组件采用GaAs半导体技术。

2011年5月，雷声公司宣布制造出第一部AMDR-S雷达的GaN基T/R组件，同年9月，S波段T/R组件通过全面测试，经过1000h运转后其性能没有任何衰减，证实其性能表现完全符合或超过AMDR计划的要求。

2014年12月，雷声公司制造第一个完整的AMDR的RMA单元，在工程研制发展（EMD）阶段，需要生产超过45000个GaN与GaAs半导体技术的微波集成电路组件，以及400个T/R组件，随后要继续制造1000个T/R组件。第一套完整的AN/SPY-6在2019年交付并安装于首艘FlightⅢ导弹驱逐舰（DDG- 124）上，2021年展开作战测试，2023年中期达成初始作战能力（IOC）。

5 结束语

随着GaN技术的迅速发展，各种采用GaN基AESA的先进雷达相继问世，除美国的“爱国者”雷达系统、3DELRR、AMDR、“太空篱笆”系统及先进机载火控雷达等，其他一些国家的雷达和电子战装备也都要求采用基于GaN的T/R模块来改进和升级其传统雷达和电子战装备适应复杂作战环境的需求。与元素周期表内的第Ⅲ至第V类半导体材料（如GaAs和InP）一样，GaN半导体比硅和碳化硅(SiC)具有高的多的电子迁移率。GaN正日益发展为一种主流技术，能够以更低成本实现带宽与性能更高的雷达与通信系统，并兴起一些新的雷达与电子信息的应用。