氮化镓技术的应用现状与发展趋势

本文由国际电子战（ID:EW21cn）授权转载，编译：刘敏 黄河等

十年来，电子战和雷达最大的发展变化之一是其材料向氮化镓（GaN）过渡，并由此带来功率、可靠性和经济上的改善。 

十年前，美国国防部开始将GaN视为砷化镓（GaAs）的未来替代品，从而开始致力于其发展。

GaN已证实可靠性和热导率均超过GaAs。

虽然GaAs在许多系统中将被GaN晶圆所取代，但在许多低功率系统中仍有大量应用。

美国国防部认定GaN为关键技术。洛克希德·马丁公司高级系统副总裁Steve Bruce说，在2005年洛马公司开始“太空篱笆”项目时，美国空军正在寻求新型S波段雷达，用以发现并跟踪太空碎片。与此同时，美国DARPA正在为大力开发GaN。Bruce说：“GaN被认定是一种关键技术，一旦成熟将为构建太空篱笆系统带来显著优势。在美国国防部开始建立太空篱笆时已有足够的数据表明GaN技术已趋于成熟，只需实践。”

Bruce指出，国防工业界希望每个单元都能获得高功率，以缩小阵列，而GaN保证了真正意义上的高效率。在2000年代中期，美国国防部为制造商提供GaN开发资金。DARPA希望促进GaN的成熟度以使工业界达到预期产量，从而使部件从经济上而言更加实惠。他说：“经济学告诉我不能为每一个GaN功率放大器花费太多。”

DARPA的“多样化可用异质集成”（DAHI）晶圆。

Bruce补充说，大约同时，洛马公司已经完成“太空篱笆”的系统设计评审。在公司开始进行初始设计评审时，GaN功率放大器已进入第三次迭代过程。

洛马公司还开发了一种被美国空军称为三坐标远程雷达（3DELRR）的新型L波段雷达。美国空军希望雷达采用GaN。

洛马公司参与了美国空军3DELRR雷达项目，美国空军要求该项目采用GaN芯片。

Bruce说：“2010年我们达到了技术成熟度6级，所以我们能够演示采用GaN技术建造的高功率L波段发射机。”

与竞争对手不同，洛马公司没有制造厂。公司求助于商业制造厂商美国Cree公司和TriQuint半导体公司（2014年TriQuint公司兼并了RF Micro Devices公司，组成Qorvo公司）。Bruce说，洛马公司的模式是将自己的系统需求交给两个商业制造厂，然后让这两家公司竞争洛马公司的业务。他说：“这给了我们真正的竞争优势——不仅使得这些制造厂在一定程度上展开相互竞争，而且会降低价格。”

Bruce补充说，在“太空篱笆”雷达达到TRL5的同时，洛马公司做了大量的工作来优化他们与Cree公司和TriQuint公司一同设计的MMIC，以获得尽可能实惠和可靠的功率放大器。Bruce说：“这让我们有机会接触到这类彼此竞争的制造厂，并易于压低价格，这是真正的竞争优势。”

GaN基本发展成熟大约是在2011年12月。Bruce说：“这真的成了一种技术，你可以去建造雷达并投入生产，2012年我们实现了‘太空篱笆’TRL7级。”

2014年6月，Qorvo公司达到制造成熟度（MRL）9级。2014年7月，Qorvo公司的GaN制造工艺达到TRL9级，符合全部性能、成本和产能目标，并具备支持全速率生产的能力。

对更大晶圆需求的增加导致Qorvo公司位于德克萨斯的制造工厂将制造工艺从制作4英寸晶圆转为制作6英寸晶圆。

如今，GaN已经成熟，Qorvo公司知道GaN产量的增加源于从有线电视到手机信号塔的商业需求。Bruce说，这种需求的增加使国防部“参与并出于生产而购买晶圆，这将使成本有明显的下降”。

他说：“一个典型的雷达在这些制造厂的生产时间可能不到一个月，剩余的成果则由商业驱动。它们在本质上是相同的技术。洛马公司非常希望获得商业的牵引，因为如果你的工艺仅支持国防部，但国防部却没有足够的量。保持产量能让你变得越来越擅长，并一直保持这种优势。”

洛马公司的“太空篱笆”功率放大器不仅价格适宜，而且所有的GaN功率放大器均已在2015年8月底交付使用。Bruce说：“我们正加紧生产整个雷达。有很多组件我们还没有收到，但我们所有GaN功率放大器的生产已经完成，它们存储在我们位于新泽西州穆尔斯顿的工厂，等待被封装到现场可更换单元（LRU）中。”

Bruce补充说，除了“太空篱笆”和3DELRR雷达外，洛马公司还就在S波段系统中采用GaN方面做了大量工作。Bruce说：“我们正在开发应用于X波段雷达的GaN技术。我们计划涵盖雷达的所有频率。甚至高至Ku波段。GaN可以应用于所有需要高效率和高功率的领域。如果是真正的低功率，则可以采用GaAs，但如果是高功率，则需要考虑采用GaN。”

2015年5月，Qorvo公司推出了采用GaN的Ku和Ka波段功率放大器，能提高商业小孔径终端和军用卫星通信的效率、增益和功率。

洛马公司正在广泛应用GaN的另一个领域是电子战领域，公司正在利用GaN的高功率和宽带特性。

反简易爆炸装置（C-IED）是GaN应用的一个领域。Bruce指出，这些系统需要高效的宽带大功率发射机，因为这些系统受限于电源——车载电源或为便携式系统供电的电池。美国和世界其他国家已经采购了数万套C-IED系统，其中绝大部分系统采用的是GaN功率放大器。

除了能力上的提高外，GaN还证明了其可靠性。Bruce说：“我们对GaN进行了广泛的寿命周期测试，场效应晶体管构成的GaN功率放大器令我们惊喜——我们无法让它发生故障。甚至在‘太空篱笆’运行20年之后其可靠性依然会很好，我们可能永远看不到它出故障。想想看，建造固态雷达并内置了容错机制，当某个放大器出现故障时雷达仍可以继续工作。基于可靠性预测，除了某些突发性事件外，我们实际上可能根本不会看到任何故障。我们曾尝试让放大器出故障，但没有如愿。”

随着GaN达到相应的成熟度等级，军方希望将其应用于新的雷达项目，而工业公司开始更换现有系统中的GaAs，如美国海军陆战队的陆基/空中任务定向雷达（G/ATOR）和美国陆军的“爱国者”导弹防御系统。

雷声公司正在将GaN和有源电扫阵列（AESA）纳入到“爱国者”雷达系统中。

2014年初前两套系统交付后，2014年10月美国海军陆战队又增购了4部AN/TPS-80型G/ATOR雷达。最初两部雷达采用的是GaAs收发模块，诺斯罗普·格鲁曼公司将在随后的系统中采用GaN。2015年8月25日，美国海军陆战队宣布将授予诺格公司900万美元，用以组织第二阶段的生产，即G/ATOR雷达的低速初始生产，并过渡到GaN。

用GaN取代GaAs只是插拔一个部件的问题。事实上，诺格公司如今已将GaAs和GaN发射/接收模块混合并匹配到了同一孔径中。

2014年6月，雷声公司表示已经成功地演示了装备有AESA和GaN的“爱国者”雷达。基于GaN的AESA赋予雷达360°的监视能力。

2015年2月，美国政府批准雷声公司研制的装备有AESA/GaN的新型“爱国者”雷达进入国际市场销售。

雷声公司的AMDR雷达将作为首个采用GaN芯片的雷达交付。AMDR雷达将被整合到美国海军DDG 51 Flight III型驱逐舰上。

与此同时，美国空军正在开发需要采用GaN的3DELRR雷达。针对美国海军的DDG51 Flight III型“阿利·伯克”级驱逐舰防空反导雷达（AMDR）项目，雷声公司在招标中做了同样的事情。

雷声公司AMDR雷达项目经理Tad Dickenson说：“采用GaN是因为海上船舶使用的雷达外壳需要一定的敏感性，这要求雷达具有一定的功率孔径积”。Dickenson说：“为了将雷达安装到船舶上，在船舶功率和重量预算之内，需要一种高性能、高功率的半导体。”他说，在尺寸和重量范围之内，GaAs难以适合。此外，它远不及低压半导体高效。“这就是为什么我们在应用中选择GaN的原因”。

GaN是一种宽带隙半导体，因而它具有很高的击穿电压，雷声公司据此开发的射频模拟放大器为AMDR雷达提供了较高的功率密度。Dickenson说，加上GaN的耐高温性能，使得雷声公司能够制造高功率雷达孔径，并以高占空比运行。

他说：“就AMDR这种综合防空反导（IAMD）雷达而言，它能够实现我们所说的每次任务中的极高雷达占用。我们需要同时完成防空和弹道导弹防御（BMD），我们必须始终这样做，并且拥有能够在时帧内履行这些任务的功率孔径积。GaN使我们能够做到这一点。”

采用高功率密度半导体，所需的T/R模块和支持电路更少，进而降低了成本。这是雷声公司选择GaN的另一个原因。Dickenson说：“建造具有相同能力的雷达所需的雷达模块更少。”

虽然GaN的开发已有十年的时间，但国防工业界和国防部许多人士认为该技术仍有漫长的路要走。DARPA微系统技术办公室（MTO）项目经理Daniel Green说：“我们相信GaN仍有很大的运行空间。我们在本世纪初开发的基于GaN的宽禁带半导体（WBGS）是一项基线技术能力。”

Green说：“GaN的价值已经得到确认，这就是为什么现在你看到它能进入著名的大型立项项目，如AMDR雷达和下一代干扰机。但是看一下基础材料的能力，仍存在大量尚未开发的潜力。”DARPA已做了大量工作来挖掘潜力，创建基于相同基础材料的不同型号，以给各个部门带来不同的能力。

DARPA目前正在根据MTO项目开展芯片内/芯片间增强冷却（IceCool）项目。Green将其形容为“将冷却系统与设备相结合，这样就可以通过更好的冷却过程来释放出某些潜在的电气性能”。据DARPA描述，“IceCool项目旨在寻求克服远程冷却的局限性，通过在基底、芯片或组件中引入微流体冷却技术以及通过包括在电子设备设计早期阶段的热管理来探索嵌入式热管理。IceCool的成功将有助于缩小诸如计算机、射频电子设备、固态激光器之类的高性能电子设备中芯片级发热密度和系统级散热密度之间的差距。”

Green负责监管的另一个项目是“下一代氮化物电子技术”（NeXt），该项目专注于开发下一代GaN技术。他说：“我们正在将硅晶体管的应用经验转化到GaN上，从而为WBGS项目制造缩小版的GaN晶体管，以更精细的栅极间距和线路，提升频率性能。我们已经推动了WBGS项目产生的典型技术——0.25微米栅连接能力，NeXt项目将目前大多数雷达和通信系统工作的2-10 GHz的频率提高到数百GHz的频率。”

DARPA的另一个项目是“微尺度功率变换”项目，该项目着眼于缩小用于高频工作的GaN晶体管。Green说：“我们正在比平常更高的频率上重新优化它们的功率变换。我们的想法是将射频放大器耦合到电源设计中。原因在于通信系统大多采用复杂波形，很难制造出能高效率处理那些复杂波形的放大器。如果能够利用GaN的动态性能，则可以极大地提高这些放大器的效率。我们正在将这些GaN功率转换器整合到GaN射频放大器，以创建高效率的宽带通信设备。”

Green表示，从历史上看，GaN的生产成本很高，因为它们受碳化硅尺寸的影响。他说：“WBGS带来的关键好处是它使碳化硅晶圆的直径扩大、体积增大，同时降低了成本。与其它化合物半导体材料相比，生产这些材料的成本大体相当，而且材料差异也较小。”

Qorvo公司基础设施与防务产品总裁JamesKlein说，Qorvo公司研究GaN已达15年，是研发该技术的早期开拓者之一。他说，公司现在每周生产数以千计的晶圆。“对GaN来说这是一个伟大的时刻，我们一起见证了它的成长。商业和国防领域对其有着显著的需求。商业客户受益于来自国防领域的先进技术，而国防客户则受益于商业的数量。”

Qorvo公司已经把从GaAs过渡到GaN的新的生产工艺资金划拨到位，但对Qorvo公司来说怎样生产这种技术是一种挑战。他说：“我们完成了这一切。目前GaN的产量在制造方面等同于甚至优于GaAs。我们用我们的GaAs生产线生产GaN。显然我们的生产线有一些特殊的设备，但这两套设备有一定的通用性。”Klein补充说，尽管国防客户通常要求更严格的筛选和检验，但生产过程是一样的。

Qorvo公司可以覆盖很宽的频率范围，从UHF至毫米波。Klein说，希望看到GaN晶圆在国防市场的增长。“国防市场增长率将在20％左右。商业方面大体与之相当。”总体来说，Qorvo公司国际销售的收入已经超过了50%，“其中很大一部分来自国防领域”。Klein承认，由于GaN能产生更大的输出功率（同样尺寸下大约高10倍），在许多应用中GaN优于GaAs。

Qorvo公司与DARPA以及美国海军研究办公室正在合作开展一项研究项目。其中一项工作是GaN与人造金刚石的热管理。

Green说，金刚石是一种WBGS材料，类似于GaN，有着略宽的禁带和优越的传导性。他说：“当人们谈论金刚石时，他们谈论的是人造金刚石，确实如此，我们用晶体生长技术制造这种材料。”Green指出，人造金刚石的投资早于GaN的投资，因此工程师们早已知道其热导率非常适用于制造高功率电子产品。

DARPA有一个被称作“近结热传输”（NJTT）的项目。该项目着眼于为GaN和其他设备集成热层。就管理热负荷方面而言，NJTT与IceCool项目采用的方法相同。Green说：“很多项目与集成金刚石基底有关。在过去的几年里有很多其它令人关注的材料出现，如复合氧化物。虽然DARPA没有对它们进行广泛的投资，但我们会继续予以关注。”

诺格公司先进系统副总裁兼先进概念与技术总经理Tom Jones说，诺格公司正在探索超越GaN的先进概念和技术。

Jones说：“我认为在设备级的高度集成方面有一些非常令人兴奋的事情。我们在射频系统领域进行研究和开发。在这一领域我们认为我们可以提供基于性能或经济可承受性或两者兼顾的鉴别技术。过去我们着眼于材料。我们还在硅化锗（SiGe）方面做了大量工作。SiGe在获得射频电路高度集成方面具有优势。”

诺格公司还着眼于低损耗开关、高线性混频器、碳纳米管以及微电子集成电路，在设备层面做了一些工作。

Jones说：“一个目前很可能会获得最大关注的方面是实现更高的集成度。其中很多正在通过SiGe来实现。SiGe提供了在每个通道上真正获得多个芯片并将其转换成每个芯片上多个通道的能力。这种芯片具有在同一器件上混合射频和数字互补金属氧化物半导体（CMOS）的能力。如果进一步连接FPGA和模数转换器，就能够实现直接数字转换，DAPRA已有这方面的合同。”

小结

对更可靠、更经济、更高性能电子产品的需求几乎保证了GaN将在今后长期使用。目前各方正在努力探寻可以与GaN一起使用的用于提高热传导性的材料，如金刚石。目前各方正在探索替代碳化硅的可能性。如果这些努力被证明是可行的，那么他们在减少或可能不再需要冷却系统方面还有很长的路要走。最终可能会诞生重量更轻、更经济的技术，这些技术故障率极低，且对维护的需求也极低。