3. 我国在前段正式下水，航母身边的"带刀护卫"―055型驱逐舰，使用的是最新型的数字阵列有源相控阵346B雷达，应为中国雷达研发的心脏地―中电科 14所的成果，获得国家科学技术进步一等奖，官方介绍“项目过于先进不方便展示”！

2020年元旦伊始，美军使用“死神”无人机和“地狱火”激光制导导弹，“于千军万马中取上将首级如探囊取物”，精准迅捷斩首伊朗革命卫队指挥官苏莱曼尼。虽是一次不太对等的军事行动，但卡西姆・苏莱曼尼将军断手遗骸上的红宝石戒指照片还是昭示着美军军工科技和武器的震慑威力。发展国防科技永不能松懈！习近平总书记多次指出，当今世界正处于百年未有之大变局。大变局下的中国破局和世界重塑，科技，尤其是国防军工科技发展与建设是重中之重。以国防信息化为核心载体，核心技术国产化为路线，以作战更远距离、更精准、更高效、更大摧毁力，攻防更立体化、陆海空一体化，武器装备更集成化、模块化和体质轻微化等为目标的“新国防”呼之欲出。

半导体科技是“新国防”赛场的重要赛道，而以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，具有禁带宽、击穿电场强度高、饱和电子迁移率高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强等优点，以这类材料为基础制备的电子器件是支撑“新国防”建设的关键核心器件。

一、GaN射频器件为新一代雷达“猛虎添翼”

1. GaN射频器件应用于雷达的优势

与第三代半导体最密切相关的“新国防”设施首推雷达。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（2.46×10⁷ cm/s）是GaAs的数倍之大（1×10⁷ cm/s），甚至远高于GaAs在低电场下的饱和漂移速度（1.8×10⁷ cm/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射频功率器件最好的衬底材料，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。

2. 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高级研究计划局（DARPA）、美国国家航空航天局（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Si_xN 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。

路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋