氮化鎵技術在雷達中的應用現狀與發展趨勢

文/蔡志清

由于GaN器件比GaAs和磷化銦（InP）器件具有更大的輸出功率、更好的頻率特性、更高的瞬時帶寬、更高的可靠性和熱導率等優越性，因此，美國軍方于21世紀初就開始致力于GaN技術的研發，并計劃將現有的雷達、通信和電子戰等軍事電子裝備中的GaAs器件逐步替換成GaN器件。據美國“戰略分析（Strategy Analytics）”2017年6月的統計，國防和航天應用占了GaN器件總市場規模的40%，其中雷達和電子戰系統在GaN器件市場中占有份額為最大。

1 前言

自20世紀90年代，GaAs器件制造技術已相當成熟，并已普遍應用于通信、雷達和電子戰系統等軍事電子裝備中。隨著第三代半導體材料關鍵技術的不斷突破，第三代半導體器件-GaN和碳化硅（SiC）單片微波集成電路（MMIC）制成的T/R 組件已開始用于ESAR雷達中，尤其是GaN MMIC在T/R組件中的應用，ESAR雷達的性能得到了進一步提高。

GaN器件跟第一代的Si器件和第二代的GaAs器件相比，其具有寬禁帶寬度、高導熱率、40W/mm的高功率密度、200℃以上的耐高溫特性、高可靠性等特性。美國雷聲公司對GaN器件進行了長達1000h的可靠性測試，其性能沒有降低，這表明此器件在軍事電子裝備中向實用化方向邁出了重要的一步。

2 寬禁帶半導體異軍突起

在S波段以下，硅基（Si）微波功率器件仍能滿足多功能相控陣雷達的功率要求，但在S波段以上，如硅化鍺（SiGe）、GaAs和磷化銦（InP），以及寬禁帶半導體微波功率器件GaN和碳化硅（SiC）等化合物半導體微波功率器件取代了硅基器件，由圖1可以看出，化合物半導體微波功率器件的耐功率與低噪聲性能更適合用于多功能相控陣雷達。

圖1：微波功率器件射頻功率與頻率關系

2.1 第二代半導體材料-砷化鎵(GaAs)

GaAs器件電子特性比Si器件要好，可以用于工作頻率在250GHz以上且功率高的電子裝備，因此，GaAs器件至今在移動通訊、衛星通訊、微波通訊、雷達和電子戰系統等領域仍有應用前景。

GaAs器件是軍事電子裝備的重要部件，曾在20世紀90年代的海灣戰爭中大顯神威，贏得“砷化鎵打敗鋼鐵”的美名。

目前，國外半導體制造業中已不生產2英寸和3英寸的Si-GaAs，而已形成可大規模制造4英寸的Si-GaAs高技術產業鏈，并進入軍民應用領域。為提高GaAsMMIC的性價比，目前國外發展的明顯趨勢是研制6英寸Si-GaAs，并促使其商品化進程。

2.2 第三代半導體材料-氮化鎵(GaN)

GaN是具有工作溫度高、禁帶寬度寬的一種半導體器件，其構型一般是六方纖鋅礦結構，原子體積大約為GaAs的一半。

GaN作為第三代半導體材料的主要特征是它是寬禁帶，與硅或者其他三五價器件相比，GaN器件速度更快，擊穿電壓也更高。在ESAR雷達中，采用GaN制作的T/R組件能夠放置得離天線更近，使雷達在結構變得輕型和小型化。

GaN技術的關鍵是縮小工藝尺寸。目前，GaN工藝尺寸正在從0.25μm~0.5μm向0.15μm轉換，并正在努力開發60nm。

2.3 第四代氮化鎵場效應電晶體（eGaN FET）

eGaN FET器件與MOSFET器件（硅基金屬氧化物半導體場效應晶體管）相比較，具有更細且更高效、更強的化學鍵，可以承受高出很多倍的電場而不會崩潰，可以把晶體管的各個電端子之間的距離縮短10倍（通常D-PAK封裝的MOSFET尺寸為65mm2，而采用超小型LGA封裝的eGaN FET面積只有5.76mm2），可以實現更低的電阻損耗，以及具備更短的電子轉換時間，還具有極佳的散熱性能。

與第三代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，即降低了阻抗達2.6倍。從而使得基于eGaN FET 的DC/DC轉換器具備更大電流及高功率密度。eGaN FET開創了GaN的新時代，未來可以更低的成本和更高效率替代功率MOSFET。最后，更高壓的eGaN FET器件、以及模擬電路與電源電路的集成將進一步增加eGaN FET的性能，及實現更低的成本。

3 GaN技術的最新進展

近十多年來，由于雷達和電子戰等軍事電子裝備發展的迫切需求，GaN技術受到國外日益重視，尤其美國軍方投入了大量人力和資金研發，取得了很大成功并得到實際應用。

3.1 柔性GaN技術

柔性GaN技術是將GaN材料生長在氮化硼（BN）上，利用BN和GaN生長表面之間的弱化學鍵，使得GaN能夠轉移到另一個襯底上，從而在獨特的平臺和器件上實現傳輸功能。

3.2 多樣化可用異質集成（DAHI）GaN晶圓技術

DAHI技術是將先進的化合物半導體器件、以及其它新型半導體材料和器件與高密度Si基CMOS技術結合在一起，可以通過多種方式將InP異質結雙極晶體管（HBT）與亞微米Si基CMOS實現異質集成。

圖2：多樣化可用異質集成（DAHI）GaN晶圓

DAHI器件能夠在輸出端提供更高的轉換頻率和更大的動態范圍，尤其是在數模轉換器方面，利用DAHI能夠賦予舊節點更多的能力。洛克希德·馬丁公司于2005年研制的GaN功率放大器采用了DAHI-GaN晶圓技術（見圖2），并已進入第三次迭代過程。2011年12月，GaN基本發展成熟并可以投入生產，目前正從4英寸晶圓過渡到6英寸晶圓。

3.3 下一代氮化物電子技術（NeXt）

NeXt技術是將硅晶體管的應用經驗轉化到GaN上，從而為寬禁帶半導體（WBGS）制造縮小版的GaN晶體管，以更精細的柵極間距和線路，提升頻率性能。GaN器件的工作頻率提高到500MHz，在大規模一體化進程中同時保持高擊穿電壓。這將有利于下一代高動態范圍的混合信號技術和RF高頻電源技術。NeXt技術將為美國軍事和航天系統提供性能和功能上的顯著改善。

3.4 芯片內/芯片間增強冷卻（IceCool）技術

IceCool技術是解決隨著功率密度的增大帶來的熱管理問題，將冷卻技術集成到芯片內部，從根源上解決問題。洛克希德·馬丁公司于2016年3月通過試驗驗證了IceCool技術的有效性，在存在多個30kW/cm2熱點的條件下驗證了1kW/cm2芯片級熱通量散熱能力，并對高功率RF放大器進行冷卻，驗證了可以使RF輸出功率提高6倍以上。

4 GaN技術在雷達中的應用實例

隨著GaN技術的不斷成熟，美國軍方希望將成熟的GaN器件應用于新的雷達系統，因而軍工企業中的巨頭們諸如雷聲公司、諾斯羅普·格魯曼公司、洛克希德·馬丁公司和泰利斯公司等，都在開始更換現有雷達系統中的GaAs器件，AESA雷達是最早采用GaN器件。

4.1 “太空籬笆”(Space Fence)系統

2005年，美國空軍為探測和跟蹤太空碎片，在海軍1961年建造的“空間監視系統（NAVSPASUR）”基礎上，構建新一代“太空籬笆(Space Fence)”系統，采用S波段陸基雷達系統，能跟蹤超過20萬個直徑大于2cm的物體。

美國國防部高級研究計劃局（DARPA）認定GaN器件為這一系統的關鍵技術，洛克希德·馬丁公司承擔“太空籬笆”的系統初始設計評審時，GaN功率放大器采用了DAHIGaN晶圓技術。2011年12月，GaN基本發展成熟并可以投入生產，2012年實現了技術成熟度（TRL）7級。2014年6月，達到制造成熟度（MRL）9級。2014年7月，GaN達到TRL9級，性能、成本和產能全部達標，并具備全速率生產的能力，而且所有的GaN功率放大器均已在2015年8月底交付使用，正加緊生產整個雷達。“太空籬笆”系統于2015年在新澤西州進行GaN基AESA測試，預計2018年底具備全作戰能力。

據洛克希德·馬丁公司的測試報告，基于GaN器件的“太空籬笆”系統可以無故障地可靠運行20年。

4.2 三坐標遠程雷達（3DELRR）

美國空軍于2011年1月啟動三坐標遠程雷達（3DELRR）項目，要求該項目采用GaN芯片。洛克希德·馬丁公司最早參與3DELRR研制，2011年12月聲稱，采用GaN技術建造高功率L波段發射機，GaN達到TRL7級。

新一代3DELRR雷達系統采用GaN芯片替代GaAs，提升了可靠性，降低了系統運行和維護成本，同時為作戰人員提高了系統的可操作性。3DELRR系統由于采用GaN基AESA而可大量處理未來敵方先進無人機（UAV）、固定翼飛機、直升機、彈道導彈和巡航導彈的區域和近距離襲擊。

4.3 驅逐艦防空反導雷達（AMDR）

AMDR主要安裝在美國海軍FlightⅢ型“阿利·伯克”級（DDG-51型）驅逐艦上，是一種雙波段雷達系統，由一部S波段遠程雷達（AMDR-S）、一部X波段中/近程多功能雷達（AMDR-X）構成。

AMDR-S的主要關鍵技術之一是T/R組件采用GaN替代GaAs，功率密度提高一級，承受的工作電壓、電流是兩倍以上，熱傳導效率也提高7倍，但AMDR系統中仍有若干組件采用GaAs半導體技術。

2011年5月，雷聲公司宣布制造出第一部AMDR-S雷達的GaN基T/R組件，同年9月，S波段T/R組件通過全面測試，經過1000h運轉后其性能沒有任何衰減，證實其性能表現完全符合或超過AMDR計劃的要求。

2014年12月，雷聲公司制造第一個完整的AMDR的RMA單元，在工程研制發展（EMD）階段，需要生產超過45000個GaN與GaAs半導體技術的微波集成電路組件，以及400個T/R組件，隨后要繼續制造1000個T/R組件。第一套完整的AN/SPY-6在2019年交付并安裝于首艘FlightⅢ導彈驅逐艦（DDG- 124）上，2021年展開作戰測試，2023年中期達成初始作戰能力（IOC）。

5 結束語

隨著GaN技術的迅速發展，各種采用GaN基AESA的先進雷達相繼問世，除美國的“愛國者”雷達系統、3DELRR、AMDR、“太空籬笆”系統及先進機載火控雷達等，其他一些國家的雷達和電子戰裝備也都要求采用基于GaN的T/R模塊來改進和升級其傳統雷達和電子戰裝備適應復雜作戰環境的需求。與元素周期表內的第Ⅲ至第V類半導體材料（如GaAs和InP）一樣，GaN半導體比硅和碳化硅(SiC)具有高的多的電子遷移率。GaN正日益發展為一種主流技術，能夠以更低成本實現帶寬與性能更高的雷達與通信系統，并興起一些新的雷達與電子信息的應用。