氮化鎵技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)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(shí)帶寬、更高的可靠性和熱導(dǎo)率等優(yōu)越性，因此，美國軍方于21世紀(jì)初就開始致力于GaN技術(shù)的研發(fā)，并計(jì)劃將現(xiàn)有的雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)等軍事電子裝備中的GaAs器件逐步替換成GaN器件。據(jù)美國“戰(zhàn)略分析（Strategy Analytics）”2017年6月的統(tǒng)計(jì)，國防和航天應(yīng)用占了GaN器件總市場規(guī)模的40%，其中雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)在GaN器件市場中占有份額為最大。

1 前言

自20世紀(jì)90年代，GaAs器件制造技術(shù)已相當(dāng)成熟，并已普遍應(yīng)用于通信、雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)等軍事電子裝備中。隨著第三代半導(dǎo)體材料關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，第三代半導(dǎo)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(dá)中，尤其是GaN MMIC在T/R組件中的應(yīng)用，ESAR雷達(dá)的性能得到了進(jìn)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(dǎo)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(jìn)行了長達(dá)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?qū)嵱没较蜻~出了重要的一步。

2 寬禁帶半導(dǎo)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?yán)走_(dá)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(dǎo)體微波功率器件GaN和碳化硅（SiC）等化合物半導(dǎo)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(dǎo)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?yán)走_(dá)。

圖1：微波功率器件射頻功率與頻率關(guān)系

2.1 第二代半導(dǎo)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(dòng)通訊、衛(wèi)星通訊、微波通訊、雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)等領(lǐng)域仍有應(yīng)用前景。

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

目前，國外半導(dǎo)體制造業(yè)中已不生產(chǎn)2英寸和3英寸的Si-GaAs，而已形成可大規(guī)模制造4英寸的Si-GaAs高技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，并進(jìn)入軍民應(yīng)用領(lǐng)域。為提高GaAsMMIC的性價(jià)比，目前國外發(fā)展的明顯趨勢是研制6英寸Si-GaAs，并促使其商品化進(jìn)程。

2.2 第三代半導(dǎo)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(dǎo)體器件，其構(gòu)型一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，原子體積大約為GaAs的一半。

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

GaN技術(shù)的關(guān)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(zhuǎn)換，并正在努力開發(fā)60nm。

2.3 第四代氮化鎵場效應(yīng)電晶體（eGaN FET）

eGaN FET器件與MOSFET器件（硅基金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）相比較，具有更細(xì)且更高效、更強(qiáng)的化學(xué)鍵，可以承受高出很多倍的電場而不會(huì)崩潰，可以把晶體管的各個(gè)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(shí)現(xiàn)更低的電阻損耗，以及具備更短的電子轉(zhuǎn)換時(shí)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(dá)2.6倍。從而使得基于eGaN FET 的DC/DC轉(zhuǎn)換器具備更大電流及高功率密度。eGaN FET開創(chuàng)了GaN的新時(shí)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(jìn)一步增加eGaN FET的性能，及實(shí)現(xiàn)更低的成本。

3 GaN技術(shù)的最新進(jìn)展

近十多年來，由于雷達(dá)和電子戰(zhàn)等軍事電子裝備發(fā)展的迫切需求，GaN技術(shù)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(fā)，取得了很大成功并得到實(shí)際應(yīng)用。

3.1 柔性GaN技術(shù)

柔性GaN技術(shù)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(xué)鍵，使得GaN能夠轉(zhuǎn)移到另一個(gè)襯底上，從而在獨(dú)特的平臺(tái)和器件上實(shí)現(xiàn)傳輸功能。

3.2 多樣化可用異質(zhì)集成（DAHI）GaN晶圓技術(shù)

DAHI技術(shù)是將先進(jìn)的化合物半導(dǎo)體器件、以及其它新型半導(dǎo)體材料和器件與高密度Si基CMOS技術(shù)結(jié)合在一起，可以通過多種方式將InP異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）與亞微米Si基CMOS實(shí)現(xiàn)異質(zhì)集成。

圖2：多樣化可用異質(zhì)集成（DAHI）GaN晶圓

DAHI器件能夠在輸出端提供更高的轉(zhuǎn)換頻率和更大的動(dòng)態(tài)范圍，尤其是在數(shù)模轉(zhuǎn)換器方面，利用DAHI能夠賦予舊節(jié)點(diǎn)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(shù)（見圖2），并已進(jìn)入第三次迭代過程。2011年12月，GaN基本發(fā)展成熟并可以投入生產(chǎn)，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(shù)（NeXt）

NeXt技術(shù)是將硅晶體管的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化到GaN上，從而為寬禁帶半導(dǎo)體（WBGS）制造縮小版的GaN晶體管，以更精細(xì)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(guī)模一體化進(jìn)程中同時(shí)保持高擊穿電壓。這將有利于下一代高動(dòng)態(tài)范圍的混合信號(hào)技術(shù)和RF高頻電源技術(shù)。NeXt技術(shù)將為美國軍事和航天系統(tǒng)提供性能和功能上的顯著改善。

3.4 芯片內(nèi)/芯片間增強(qiáng)冷卻（IceCool）技術(shù)

IceCool技術(shù)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(shù)集成到芯片內(nèi)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(yàn)驗(yàn)證了IceCool技術(shù)的有效性，在存在多個(gè)30kW/cm2熱點(diǎn)的條件下驗(yàn)證了1kW/cm2芯片級(jí)熱通量散熱能力，并對高功率RF放大器進(jìn)行冷卻，驗(yàn)證了可以使RF輸出功率提高6倍以上。

4 GaN技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用實(shí)例

隨著GaN技術(shù)的不斷成熟，美國軍方希望將成熟的GaN器件應(yīng)用于新的雷達(dá)系統(tǒng)，因而軍工企業(yè)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(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)中的GaAs器件，AESA雷達(dá)是最早采用GaN器件。

4.1 “太空籬笆”(Space Fence)系統(tǒng)

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(jiān)視系統(tǒng)（NAVSPASUR）”基礎(chǔ)上，構(gòu)建新一代“太空籬笆(Space Fence)”系統(tǒng)，采用S波段陸基雷達(dá)系統(tǒng)，能跟蹤超過20萬個(gè)直徑大于2cm的物體。

美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）認(rèn)定GaN器件為這一系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，洛克希德·馬丁公司承擔(dān)“太空籬笆”的系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)評審時(shí)，GaN功率放大器采用了DAHIGaN晶圓技術(shù)。2011年12月，GaN基本發(fā)展成熟并可以投入生產(chǎn)，2012年實(shí)現(xiàn)了技術(shù)成熟度（TRL）7級(jí)。2014年6月，達(dá)到制造成熟度（MRL）9級(jí)。2014年7月，GaN達(dá)到TRL9級(jí)，性能、成本和產(chǎn)能全部達(dá)標(biāo)，并具備全速率生產(chǎn)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(chǎn)整個(gè)雷達(dá)?！疤栈h笆”系統(tǒng)于2015年在新澤西州進(jìn)行GaN基AESA測試，預(yù)計(jì)2018年底具備全作戰(zhàn)能力。

據(jù)洛克希德·馬丁公司的測試報(bào)告，基于GaN器件的“太空籬笆”系統(tǒng)可以無故障地可靠運(yùn)行20年。

4.2 三坐標(biāo)遠(yuǎn)程雷達(dá)（3DELRR）

美國空軍于2011年1月啟動(dòng)三坐標(biāo)遠(yuǎn)程雷達(dá)（3DELRR）項(xiàng)目，要求該項(xiàng)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(shù)建造高功率L波段發(fā)射機(jī)，GaN達(dá)到TRL7級(jí)。

新一代3DELRR雷達(dá)系統(tǒng)采用GaN芯片替代GaAs，提升了可靠性，降低了系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)成本，同時(shí)為作戰(zhàn)人員提高了系統(tǒng)的可操作性。3DELRR系統(tǒng)由于采用GaN基AESA而可大量處理未來敵方先進(jìn)無人機(jī)（UAV）、固定翼飛機(jī)、直升機(jī)、彈道導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈的區(qū)域和近距離襲擊。

4.3 驅(qū)逐艦防空反導(dǎo)雷達(dá)（AMDR）

AMDR主要安裝在美國海軍FlightⅢ型“阿利·伯克”級(jí)（DDG-51型）驅(qū)逐艦上，是一種雙波段雷達(dá)系統(tǒng)，由一部S波段遠(yuǎn)程雷達(dá)（AMDR-S）、一部X波段中/近程多功能雷達(dá)（AMDR-X）構(gòu)成。

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

2011年5月，雷聲公司宣布制造出第一部AMDR-S雷達(dá)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(jīng)過1000h運(yùn)轉(zhuǎn)后其性能沒有任何衰減，證實(shí)其性能表現(xiàn)完全符合或超過AMDR計(jì)劃的要求。

2014年12月，雷聲公司制造第一個(gè)完整的AMDR的RMA單元，在工程研制發(fā)展（EMD）階段，需要生產(chǎn)超過45000個(gè)GaN與GaAs半導(dǎo)體技術(shù)的微波集成電路組件，以及400個(gè)T/R組件，隨后要繼續(xù)制造1000個(gè)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(dǎo)彈驅(qū)逐艦（DDG- 124）上，2021年展開作戰(zhàn)測試，2023年中期達(dá)成初始作戰(zhàn)能力（IOC）。

5 結(jié)束語

隨著GaN技術(shù)的迅速發(fā)展，各種采用GaN基AESA的先進(jìn)雷達(dá)相繼問世，除美國的“愛國者”雷達(dá)系統(tǒng)、3DELRR、AMDR、“太空籬笆”系統(tǒng)及先進(jìn)機(jī)載火控雷達(dá)等，其他一些國家的雷達(dá)和電子戰(zhàn)裝備也都要求采用基于GaN的T/R模塊來改進(jìn)和升級(jí)其傳統(tǒng)雷達(dá)和電子戰(zhàn)裝備適應(yīng)復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境的需求。與元素周期表內(nèi)的第Ⅲ至第V類半導(dǎo)體材料（如GaAs和InP）一樣，GaN半導(dǎo)體比硅和碳化硅(SiC)具有高的多的電子遷移率。GaN正日益發(fā)展為一種主流技術(shù)，能夠以更低成本實(shí)現(xiàn)帶寬與性能更高的雷達(dá)與通信系統(tǒng)，并興起一些新的雷達(dá)與電子信息的應(yīng)用。