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氮化鎵(GaN)射頻器件為新一代雷達(dá)“猛虎添翼”

發(fā)布時(shí)間:2022-03-18作者來源:薩科微瀏覽:3258

在軍用市場(chǎng),GaN 射頻器件需求快速增長(zhǎng),根據(jù)《第3 代半導(dǎo)體發(fā)展概述及我國(guó)的機(jī)遇、挑戰(zhàn)與對(duì)策》數(shù)據(jù),僅戰(zhàn)斗機(jī)雷達(dá)對(duì)GaN 射頻功率模塊的需求就將達(dá)到7500 萬(wàn)只。目前,美國(guó)海軍新一代干擾機(jī)吊艙及空中和導(dǎo)彈防御雷達(dá)(AMDR)已采用GaN 射頻功放器件替代GaAs 器件。


      射頻技術(shù)的進(jìn)步正在推動(dòng)無線系統(tǒng)的發(fā)展。它是通訊和雷達(dá)的關(guān)鍵支撐技術(shù),主要用于商業(yè)和軍用航空、空中交通管制、氣象服務(wù)、飛機(jī)對(duì)衛(wèi)星通信、太空探索等導(dǎo)航和安全系統(tǒng)。   在這些領(lǐng)域早期應(yīng)用的硅和砷化鎵半導(dǎo)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(dǎo)體材料(又稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料)。GaN 的禁帶寬度、電子飽和遷移速度、擊穿場(chǎng)強(qiáng)和工作溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Si 和GaAs,具有作為電力電子器件和射頻器件的先天優(yōu)勢(shì)。GaN 如果配合SiC 襯底,器件可同時(shí)適用高功率和高頻率。   在測(cè)試高功率寬帶隙SiC基GaN射頻器件時(shí),雷達(dá)和通信系統(tǒng)的作用范圍更廣以及性能更長(zhǎng)。SiC基的GaN HEMT器件的平均準(zhǔn)確率為每十億次/小時(shí),僅有8.6次失敗,平均壽命為6800年。

半導(dǎo)體材料的發(fā)展主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:

1)襯底及外延材料向大直徑發(fā)展;

2)材料質(zhì)量和器件性能的提升;

3)成本和價(jià)格的下降推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。



         

GaN射頻器件

應(yīng)用于雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)

雷達(dá),即Radar(radio detection and ranging),是利用電磁波探測(cè)目標(biāo)的電子設(shè)備,是“三軍之眼,國(guó)之重器”!我們眼睛能看到周圍事物,是因?yàn)樘?yáng)光或者燈光照射到物體上反射回來的光入射進(jìn)入眼睛,抑或物體直接發(fā)光(如螢火蟲等)進(jìn)入眼睛。

雷達(dá)的原理也是這樣,通過雷達(dá)發(fā)射組(Transmitter)發(fā)射電磁波,被目標(biāo)物反射回來的回波被雷達(dá)接收組(Receiver)接收,經(jīng)過一系列的濾波,放大等復(fù)雜信號(hào)處理和分析,根據(jù)回波信號(hào)的時(shí)延、多普勒頻移、到達(dá)角和幅度,判斷目標(biāo)物的姿態(tài)、距離、速度和方位角等信息,從而用于搭載設(shè)施偵察、制導(dǎo)、火控等功能。

當(dāng)然雷達(dá)同眼睛不一樣的地方在于,雷達(dá)是主動(dòng)發(fā)射電磁波并探測(cè)回波,而人眼只能被動(dòng)接收光。

雷達(dá)為了看得更遠(yuǎn),更清楚,需要發(fā)射組的功率更高(能傳輸?shù)礁h(yuǎn)距離)、頻率更高(更密集和快速獲取反射波信息)。

同時(shí)為了適應(yīng)各種不同環(huán)境作戰(zhàn),雷達(dá)希望能盡可能重量輕、體積小,以實(shí)現(xiàn)機(jī)載、艦載。T/R 組件是相控陣?yán)走_(dá)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(huán)行器、移相器等,組成 T/R 組件的發(fā)射通道和接受通道,負(fù)責(zé)處理高頻的電磁波信號(hào)。

雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)射頻芯片的性能要求極高。發(fā)射通道負(fù)責(zé)對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行放大,使激勵(lì)信號(hào)的功率大大增強(qiáng),信號(hào)功率越大,電磁波在空間中傳播的距離越遠(yuǎn),雷達(dá)的探測(cè)距離和探測(cè)精度都會(huì)越高。

GaAs半導(dǎo)體器件以其優(yōu)良的頻率和功率特性在上述雷達(dá)T/R 組件的固態(tài)微波射頻功率器件中占據(jù)主導(dǎo)地位,但是GaN相比GaAs具有一些優(yōu)勢(shì),GaN和GaAs的Johnson因子(綜合評(píng)價(jià)半導(dǎo)體材料在功率和頻率方面應(yīng)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(shù)倍更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng),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(shù)倍數(shù)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(dāng)),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(chǎng)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(chǎng)室溫下的電子遷移率很高,達(dá)到8800cm2/V.s, 但是在稍大電場(chǎng)下其遷移率急劇下降,變?yōu)樨?fù)數(shù),表現(xiàn)為載流子漂移速度急劇下降。

這是由GaAs的能帶結(jié)構(gòu)決定,除了在k=0的導(dǎo)帶極小值,在<100>方向還存在0.36eV的能谷,增大電場(chǎng),電子獲取能量便會(huì)轉(zhuǎn)移到此能谷中,即電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)。

GaN材料雖然常溫低電場(chǎng)下的載流子遷移率不如GaAs,但是在150kV/cm的高場(chǎng)強(qiáng)下,遷移率隨電場(chǎng)雖有減小,但一直為正,表現(xiàn)為漂移速度一直增加。

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

GaN器件同時(shí)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(guān))下, 因此在高功率應(yīng)用中遠(yuǎn)勝GaAs,但GaAs 將繼續(xù)在中低電壓和中低功率應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)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(dǎo)熱性優(yōu)于硅和藍(lán)寶石,有助于實(shí)現(xiàn)GaN的高功率特性,且SiC的導(dǎo)熱性比GaAs高10倍。雖然SiC襯底目前價(jià)格較貴,但對(duì)價(jià)格敏感度不高的[敏感詞]產(chǎn)品來說不是問題,且SiC價(jià)格肯定會(huì)隨著其材料技術(shù)的發(fā)展而降低。

前述GaN材料本身的寬禁帶優(yōu)勢(shì),加上更優(yōu)良的熱性能,使其相對(duì)GaAs器件優(yōu)勢(shì)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(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(pHEMT),溝道溫度為150℃時(shí),GaN,GaAs的平均壽命分別為1&times;109小時(shí),1&times;106小時(shí)。在1&times;106小時(shí)的平均壽命下,GaN(225℃)可工作在比GaAs(150℃)高75℃的環(huán)境中。

4)以上功率和散熱可靠性方面優(yōu)勢(shì),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(dá)系統(tǒng)體質(zhì)微輕化,從而更適合機(jī)載、艦載等場(chǎng)合。

單極型GaN HEMT是主要的GaN射頻器件結(jié)構(gòu),相比MESFETs, MISFETs等結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)性能。

GaN相比SiC(Johnson因子為20)在射頻器件方面的優(yōu)勢(shì)在于,能與其他氮化物合金形成異質(zhì)結(jié),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(duì)更關(guān)注耐壓和導(dǎo)通電流的功率半導(dǎo)體,SiC目前更具有優(yōu)勢(shì)。

相關(guān)的產(chǎn)品及研發(fā)進(jìn)展

GaN微波射頻器件得到了美國(guó)[敏感詞]部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)、美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)、美國(guó)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(xù)提供GaN研發(fā)資金,GaN材料和器件技術(shù)迅速發(fā)展。

GaN[敏感詞]科技產(chǎn)品的發(fā)展和成熟也促使產(chǎn)業(yè)界將相關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)移至5G等商業(yè)領(lǐng)域,畢竟[敏感詞][敏感詞]科技產(chǎn)品需求量不大。

而商業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模量的需求和生產(chǎn),也更加促進(jìn)了GaN材料和器件技術(shù)的進(jìn)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(shù)及工藝在研發(fā),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(guó)弗勞恩霍夫研究所 在2019年的IEDM會(huì)議上報(bào)道了1-2GHz頻率范圍內(nèi),器件的工作電壓從50V翻倍至100V,PAE達(dá)77.3%,125V電壓的功率密度超過20W/mm。

  • 位于美國(guó)德克薩斯的GaN射頻廠家Qorvo GaN 射頻在Ka波段達(dá)到了35.5 dBm 飽和輸出功率和 22% PAE,[敏感詞]工作頻率達(dá)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(guān)鍵技術(shù),在國(guó)外技術(shù)封鎖情況下,我國(guó)包括西安電子科技大學(xué)、中電科13所55所、蘇州能訊、國(guó)聯(lián)萬(wàn)眾和中興通信等科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)公司在這方面探索創(chuàng)新,做出了不少成績(jī)。

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

  • 蘇州能訊推出了頻率達(dá)6GHz、工作電壓48V、設(shè)計(jì)功率從7W-65W的GaN功放管產(chǎn)品;

  • 2019年中電科13所和55所牽頭的新一代射頻芯片項(xiàng)目獲得“國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)”。

AMDR雷達(dá)

基于GaN 器件技術(shù)的雷達(dá)最耀眼的當(dāng)屬雷神公司為美國(guó)海軍開發(fā)的AMDR(Air and Missile Defense Radar)雷達(dá)(現(xiàn)在的正式名稱為AN/SPY-6)。

AMDR固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)代表了現(xiàn)今雷達(dá)的[敏感詞]水平,包括1部四面陣S波段雷達(dá)(AMDR-S)、1部三面陣X波段雷達(dá)(AMDR-X)以及1部雷達(dá)控制器(RSC)。

AMDR 在世界艦載雷達(dá)技術(shù)史上創(chuàng)造了多項(xiàng)突破,其中突出之一是[敏感詞]次在大規(guī)模天線口徑的艦載雷達(dá)上應(yīng)用GaN T/R組件技術(shù)。

  • 這使得相比現(xiàn)役AN/SPY-1雷達(dá):

  • 其總功率提高2倍,可達(dá)約10MW,同時(shí)工作時(shí)產(chǎn)生的雷達(dá)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(cè)距離提高2倍(AMDR-S超過400km,AMDR-X 對(duì)空超過200km) ,

  • 可探測(cè)的最小目標(biāo)降低到一半,覆蓋范圍提高13倍,

  • 同時(shí)處理目標(biāo)數(shù)30倍,同時(shí)跟蹤目標(biāo)數(shù)6倍,

  • 同時(shí)制導(dǎo)的飛行中導(dǎo)彈數(shù)量增加了3倍。

AMDR將首先安裝在美國(guó)海軍的阿利&middot;伯克級(jí)Flight III型防空反導(dǎo)驅(qū)逐艦上。除了AMDR雷達(dá)外,諾格公司(Northrop Grumman)也為美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)研發(fā)生產(chǎn)基于GaN的AN/TPS-80 地面/空中多任務(wù)(G/ATOR,Ground/Air Task Oriented Radar)雷達(dá)系統(tǒng),而GaN射頻器件的應(yīng)用項(xiàng)目還包括“下一代干擾機(jī)”、三坐標(biāo)機(jī)動(dòng)遠(yuǎn)程雷達(dá)(3DLRR)、“太空籬笆”系統(tǒng)、遠(yuǎn)程識(shí)別雷達(dá)、“愛國(guó)者”導(dǎo)彈及“薩德之眼”的升級(jí)改進(jìn)等。

當(dāng)然不得不提我國(guó)在前段正式下水,航母身邊的"帶刀護(hù)衛(wèi)"—055型驅(qū)逐艦,它甚至被美國(guó)《國(guó)家利益》雜志評(píng)為世界“五大最致命戰(zhàn)斗艦”排名首位。

055型驅(qū)逐艦使用的是[敏感詞]型的數(shù)字陣列有源相控陣346B雷達(dá),同時(shí)配備了L、S、C、X四種波段雷達(dá),集成遠(yuǎn)程預(yù)警(L波段,1-2GHz,中心波長(zhǎng)已經(jīng)達(dá)到22cm)、搜索(S波段主雷達(dá),2-4GHz,中心波長(zhǎng)為10cm)、導(dǎo)彈制導(dǎo)(C波段,4-8GHz,中心波長(zhǎng)5cm)和火控(X波段,8-12GHz,中心波長(zhǎng)為3cm)功能。

2019年中電科14所參與研制的某重大項(xiàng)目獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng),但官方介紹“項(xiàng)目過于先進(jìn)不方便展示”,而055驅(qū)逐艦上裝備的雷達(dá)即為中國(guó)雷達(dá)研發(fā)的心臟地中電科14所的成果—“大國(guó)重器,不明覺厲”!




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