在軍用市場，GaN 射頻器件需求快速增長，根據《第3 代半導體發展概述及我國的機遇、挑戰與對策》數據，僅戰斗機雷達對GaN 射頻功率模塊的需求就將達到7500 萬只。目前，美國海軍新一代干擾機吊艙及空中和導彈防御雷達（AMDR）已采用GaN 射頻功放器件替代GaAs 器件。

      射頻技術的進步正在推動無線系統的發展。它是通訊和雷達的關鍵支撐技術，主要用于商業和軍用航空、空中交通管制、氣象服務、飛機對衛星通信、太空探索等導航和安全系統。   在這些領域早期應用的硅和砷化鎵半導體，是無法與能夠提供的更寬帶寬、更高功率密度和更高效率的SiC基GaN器件所相提并論。   GaN 屬于第三代半導體材料（又稱為寬禁帶半導體材料）。GaN 的禁帶寬度、電子飽和遷移速度、擊穿場強和工作溫度遠遠大于Si 和GaAs，具有作為電力電子器件和射頻器件的先天優勢。GaN 如果配合SiC 襯底，器件可同時適用高功率和高頻率。   在測試高功率寬帶隙SiC基GaN射頻器件時，雷達和通信系統的作用范圍更廣以及性能更長。SiC基的GaN HEMT器件的平均準確率為每十億次/小時，僅有8.6次失敗，平均壽命為6800年。

半導體材料的發展主要體現在三個方面：

1）襯底及外延材料向大直徑發展；

2）材料質量和器件性能的提升；

3）成本和價格的下降推動產業發展。

         

GaN射頻器件

應用于雷達的優勢

雷達，即Radar（radio detection and ranging），是利用電磁波探測目標的電子設備，是“三軍之眼，國之重器”！我們眼睛能看到周圍事物，是因為太陽光或者燈光照射到物體上反射回來的光入射進入眼睛，抑或物體直接發光（如螢火蟲等）進入眼睛。

雷達的原理也是這樣，通過雷達發射組（Transmitter）發射電磁波，被目標物反射回來的回波被雷達接收組（Receiver）接收，經過一系列的濾波，放大等復雜信號處理和分析，根據回波信號的時延、多普勒頻移、到達角和幅度，判斷目標物的姿態、距離、速度和方位角等信息，從而用于搭載設施偵察、制導、火控等功能。

當然雷達同眼睛不一樣的地方在于，雷達是主動發射電磁波并探測回波，而人眼只能被動接收光。

雷達為了看得更遠，更清楚，需要發射組的功率更高（能傳輸到更遠距離）、頻率更高（更密集和快速獲取反射波信息）。

同時為了適應各種不同環境作戰，雷達希望能盡可能重量輕、體積小，以實現機載、艦載。T/R 組件是相控陣雷達的工作核心，含有大量射頻芯片，例如功率放大器、低噪聲放大器、環行器、移相器等，組成 T/R 組件的發射通道和接受通道，負責處理高頻的電磁波信號。

雷達系統對射頻芯片的性能要求極高。發射通道負責對激勵信號進行放大，使激勵信號的功率大大增強，信號功率越大，電磁波在空間中傳播的距離越遠，雷達的探測距離和探測精度都會越高。

GaAs半導體器件以其優良的頻率和功率特性在上述雷達T/R 組件的固態微波射頻功率器件中占據主導地位，但是GaN相比GaAs具有一些優勢，GaN和GaAs的Johnson因子（綜合評價半導體材料在功率和頻率方面應用）分別為27.5和2.7：

1）相比GaAs（禁帶寬度 1.43eV），GaN材料的禁帶寬度3.4eV，約為GaAs的2.4倍，GaN器件具有指數倍更高的擊穿場強，可以在更高電壓下工作。另外，更寬的禁帶寬度使GaN材料具有指數倍數更低的本征載流子濃度（更高的溫度才能使GaN材料的本征載流子濃度和摻雜載流子濃度相當），因此GaN器件在高溫條件下工作可靠性較GaAs更好。

2）GaN材料大電場下有更高的載流子漂移速度，從而工作電流更大。GaAs材料在低電場室溫下的電子遷移率很高，達到8800cm²/V.s, 但是在稍大電場下其遷移率急劇下降，變為負數，表現為載流子漂移速度急劇下降。

這是由GaAs的能帶結構決定，除了在k=0的導帶極小值，在<100>方向還存在0.36eV的能谷，增大電場，電子獲取能量便會轉移到此能谷中，即電子轉移效應。

GaN材料雖然常溫低電場下的載流子遷移率不如GaAs，但是在150kV/cm的高場強下，遷移率隨電場雖有減小，但一直為正，表現為漂移速度一直增加。

在高場強條件下，GaN的飽和電子漂移速度（2.46&times;10⁷cm/s）是GaAs的數倍之大（1&times;10⁷cm/s），甚至遠高于GaAs在低電場下的飽和漂移速度（1.8&times;10⁷cm/s）。

GaN器件同時可以工作在更高電壓和電流（電子漂移速度與電流密度相關）下， 因此在高功率應用中遠勝GaAs，但GaAs 將繼續在中低電壓和中低功率應用領域發揮作用。

3）從熱性能方面來說， SiC是GaN射頻功率器件[敏感詞]的襯底材料，SiC的導熱性優于硅和藍寶石，有助于實現GaN的高功率特性，且SiC的導熱性比GaAs高10倍。雖然SiC襯底目前價格較貴，但對價格敏感度不高的[敏感詞]產品來說不是問題，且SiC價格肯定會隨著其材料技術的發展而降低。

前述GaN材料本身的寬禁帶優勢，加上更優良的熱性能，使其相對GaAs器件優勢更明顯：GaN器件的溝道溫度在同等可靠性條件下比GaAs高，而相同的溝道溫度下，GaN的可靠性比GaAs高得多。

Qorvo GaN HEMT和GaAs贗調制摻雜異質結場效應晶體管（pHEMT），溝道溫度為150℃時，GaN，GaAs的平均壽命分別為1&times;10⁹小時，1&times;10⁶小時。在1&times;10⁶小時的平均壽命下，GaN（225℃）可工作在比GaAs（150℃）高75℃的環境中。

4）以上功率和散熱可靠性方面優勢，使GaN基射頻器件在同樣甚至更高的輸出功率下，具有更小的體積，因此更有利于雷達系統體質微輕化，從而更適合機載、艦載等場合。

單極型GaN HEMT是主要的GaN射頻器件結構，相比MESFETs, MISFETs等結構具有更高的載流子遷移率，而GaN p型摻雜的困難限制了雙極型的GaN HBTs 結構性能。

GaN相比SiC（Johnson因子為20）在射頻器件方面的優勢在于，能與其他氮化物合金形成異質結，且AlGaN/GaN HEMT溝道載流子，相比SiC MESFETs具有快的遷移率和更高的濃度。但對更關注耐壓和導通電流的功率半導體，SiC目前更具有優勢。

相關的產品及研發進展

GaN微波射頻器件得到了美國[敏感詞]部高級研究計劃局（DARPA）、美國國家航空航天局（NASA）、美國空軍等各部門和軍種的青睞，他們將GaN視為GaAs的替代品，持續提供GaN研發資金，GaN材料和器件技術迅速發展。

GaN[敏感詞]科技產品的發展和成熟也促使產業界將相關技術轉移至5G等商業領域，畢竟[敏感詞][敏感詞]科技產品需求量不大。

而商業領域大規模量的需求和生產，也更加促進了GaN材料和器件技術的進一步提升。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術及工藝在研發，以使GaN HEMT射頻器件工作在更高頻率（微波到毫米波段），更高輸出功率和功率密度，更高功率附加效率（PAE）和具有更好的服役可靠性。

• 德國弗勞恩霍夫研究所 在2019年的IEDM會議上報道了1-2GHz頻率范圍內，器件的工作電壓從50V翻倍至100V，PAE達77.3％，125V電壓的功率密度超過20W/mm。

• 位于美國德克薩斯的GaN射頻廠家Qorvo GaN 射頻在Ka波段達到了35.5 dBm 飽和輸出功率和 22% PAE，[敏感詞]工作頻率達到31GHz。

• CREE GaN 2.7GHz-3.8GHz射頻器件在50V工作電壓下，[敏感詞]輸出功率為88W（3.1GHz）。

GaN微波射頻器件是核心關鍵技術，在國外技術封鎖情況下，我國包括西安電子科技大學、中電科13所和55所、蘇州能訊、國聯萬眾和中興通信等科研機構和產業公司在這方面探索創新，做出了不少成績。

• 西電320GHz毫米波器件，利用高界面質量的凹槽半懸空柵技術，器件的fmax達320GHz，在輸出功率密度一定的情況下，PAE在30GHz頻率下達到當前國際GaN基HEMT中[敏感詞]值。

• 蘇州能訊推出了頻率達6GHz、工作電壓48V、設計功率從7W-65W的GaN功放管產品；

• 2019年中電科13所和55所牽頭的新一代射頻芯片項目獲得“國家科技進步一等獎”。

AMDR雷達

基于GaN 器件技術的雷達最耀眼的當屬雷神公司為美國海軍開發的AMDR（Air and Missile Defense Radar）雷達（現在的正式名稱為AN/SPY-6）。

AMDR固態有源相控陣雷達代表了現今雷達的[敏感詞]水平，包括1部四面陣S波段雷達（AMDR-S)、1部三面陣X波段雷達（AMDR-X)以及1部雷達控制器（RSC)。

AMDR 在世界艦載雷達技術史上創造了多項突破，其中突出之一是[敏感詞]次在大規模天線口徑的艦載雷達上應用GaN T/R組件技術。

• 這使得相比現役AN/SPY-1雷達：

• 其總功率提高2倍，可達約10MW，同時工作時產生的雷達功率提高35倍以上；

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

• 探測距離提高2倍（AMDR-S超過400km，AMDR-X 對空超過200km） ，

• 可探測的最小目標降低到一半，覆蓋范圍提高13倍，

• 同時處理目標數30倍，同時跟蹤目標數6倍，

• 同時制導的飛行中導彈數量增加了3倍。

AMDR將首先安裝在美國海軍的阿利&middot;伯克級Flight III型防空反導驅逐艦上。除了AMDR雷達外，諾格公司（Northrop Grumman）也為美國海軍陸戰隊研發生產基于GaN的AN/TPS-80 地面/空中多任務（G/ATOR，Ground/Air Task Oriented Radar）雷達系統，而GaN射頻器件的應用項目還包括“下一代干擾機”、三坐標機動遠程雷達（3DLRR）、“太空籬笆”系統、遠程識別雷達、“愛國者”導彈及“薩德之眼”的升級改進等。

當然不得不提我國在前段正式下水，航母身邊的"帶刀護衛"—055型驅逐艦，它甚至被美國《國家利益》雜志評為世界“五大最致命戰斗艦”排名首位。

055型驅逐艦使用的是[敏感詞]型的數字陣列有源相控陣346B雷達，同時配備了L、S、C、X四種波段雷達，集成遠程預警（L波段，1-2GHz，中心波長已經達到22cm）、搜索（S波段主雷達，2-4GHz，中心波長為10cm）、導彈制導（C波段，4-8GHz，中心波長5cm）和火控（X波段，8-12GHz，中心波長為3cm）功能。

2019年中電科14所參與研制的某重大項目獲得國家科學技術進步一等獎，但官方介紹“項目過于先進不方便展示”，而055驅逐艦上裝備的雷達即為中國雷達研發的心臟地中電科14所的成果—“大國重器，不明覺厲”！

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