微米硅化铪(决定雷达性能，最新美国雷达的功放材料水准和下一代发展方向)

自上世纪90年代末以来，以美国领先的国际氮化镓（GaN）材料应用研究热潮逐渐扩散，2000年我国国内就有研制成功的消息，随着应用成熟度的提高，世界电子界已广泛地在电子战设备和雷达上使用新一代氮化镓（GaN）材料，以取代砷化镓（GaAs）为材料的上一代技术。氮化镓（GaN）材料功率器件相对于上一代器件发射功率可以提高5-10倍，而且可以耐受更高的工作温度，并且具有高击穿电压、大电流、高热导率、体积大幅减小等优点。氮化镓（GaN）材料带来了全新的功率、可靠性、经济性优势。美国军方也在近十年达到了高功率部件非氮化镓（GaN）不用的程度。我们来说说美国最新雷达所用功放材料水准和下一代发展方向。

可监控卫星的 美国AN/FPS-115预警雷达

低成本：

在2005年开始的太空篱笆项目中，为发现并跟踪太空碎片美国空军需求一种新型S波段雷达。此时氮化镓（GaN）被美国军方认为将为构建’太空篱笆’系统带来显著优势。在美军开始建立‘太空篱笆’时已有足够的数据表明GaN技术已趋于成熟，只待使用。

太空篱笆计划中的天基体系

在2000年代中期，美国军方为制造商提供氮化镓（GaN）开发资金。希望促进氮化镓（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。洛马公司没有制造厂，是将设计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。这达成了真正的竞争优势：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。

洛马公司通过优化微波集成电路获得可靠的功率放大器。并了解了这类彼此竞争的制造厂，易于降低成本压低价格。氮化镓（GaN）应用基本成熟是2011年12月。2014年7月其中一个制造厂Qorvo公司的氮化镓（GaN）制造工艺符合全部性能、成本和产能目标，并具备支持全速率生产的能力。

采用氮化镓（GaN）材质的爱国者新雷达

Qorvo公司把氮化镓（GaN）应用到广大商业需求。这种商业需求的增长使国防部参与并购买氮化镓（GaN）晶圆，这将使成本有明显的下降。因为军用雷达占用制造厂的生产时间不到一个月，剩余的时间则由商业需求驱动。它们在本质上是相同的技术。如果工艺仅支持国防部，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。

高功率：

2010年、洛马公司就达到了技术成熟度6级，能够演示采用氮化镓（GaN）技术建造的高功率L波段发射机。洛马公司还在开发应用于X波段雷达的氮化镓（GaN）技术。我们计划涵盖雷达的所有频率。甚至高至Ku波段。氮化镓（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，则可以采用砷化镓（GaAs），但如果是高功率，则需要考虑采用氮化镓（GaN）。正在广泛应用氮化镓（GaN）的另一个领域是电子战领域，洛马公司正在利用氮化镓（GaN）的高功率和宽带特性。

采用氮化镓（GaN）的美国战场雷达

可靠性：

洛马公司还证明了氮化镓（GaN）可靠性，进行了广泛的寿命周期测试，场效应晶体管构成的氮化镓（GaN）功率放大器，可能永远看不到它出故障。甚至在使用20年之后其可靠性依然会很好。万一某个放大器出现故障时，内置了容错机制的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，实际上可能根本不会看到任何故障。曾尝试让放大器出故障，但没有如愿。

适装性：

2014年10月美国海军陆战队又增购了4部AN/TPS-80型制导雷达。最初两部雷达采用的是砷化镓（GaAs）收发模块，诺斯罗普•格鲁曼公司将在随后的系统中采用氮化镓（GaN）。2015年8月25日，美国海军陆战队给予了诺格公司第二阶段生产的900万美元资金，即AN/TPS-80型制导雷达的低速初始生产，并过渡到氮化镓（GaN）。用氮化镓（GaN）取代砷化镓（GaAs）只是插拔一个部件的问题。事实上，诺格公司如今已将砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）发射/接收模块混合并匹配到了同一孔径中。

美国最新AN/TPS-80型制导雷达

高功率，小体积：

2014年6月，雷声公司表示已经成功地演示了装备有相控阵和氮化镓（GaN）的“爱国者”雷达。基于氮化镓（GaN）的相控阵赋予雷达360°的监视能力。与此同时，美国空军正在开发需要采用氮化镓（GaN）的3D远程雷达。对于美国海军的阿利•伯克III级驱逐舰防空反导雷达项目中，中标的雷声公司采用氮化镓（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（功率/体积）。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。上代砷化镓（GaAs）难以适合在尺寸和重量范围之内。此外，砷化镓（GaAs）远不及氮化镓（GaN）高效。

对美国下一代防空反导雷达这种综合防空反导雷达而言，它能够实现我们所说的每次防空和弹道导弹防御（BMD）任务中的极高的多目标探测能力。并且拥有足够的高水平的功率孔径积（功率/体积），氮化镓（GaN）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。建造具有相同能力的雷达所需的雷达模块更少。氮化镓（GaN）能实现每个单元都能获得高功率，小体积。这是雷声公司选择氮化镓（GaN）的另一个原因。

美国未来防空计划中的火控雷达

产能：

目前氮化镓（GaN）的产量在制造方面等同于甚至优于砷化镓（GaAs）。用GaAs生产线生产氮化镓（GaN），这两套设备有一定的通用性，GaN的生产线有一些特殊的设备。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。氮化镓（GaN）晶圆在商业方面有20％左右的年增长率。国防市场大体与之相当。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。由于氮化镓（GaN）能产生更大的输出功率（同样尺寸下大约高10倍），在许多应用中氮化镓（GaN）优于砷化镓（GaAs）。

美国最新的AN/APG-83雷达

进一步优化：

氮化镓（GaN）的价值已经得到确认，它能进入著名的大型立项项目，如美国下一代防空反导雷达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。美国军方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。

美国军方目前正在开展芯片内/芯片间’增强冷却’项目。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。’增强冷却’项目旨在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以及在基底、芯片或组件中引入微流体冷却技术，以寻求克服远程冷却的局限性。’增强冷却’项目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。

美国用于反导的国土防御雷达

美国还在专注进行下一代氮化物电子技术，目前有多个项目取得成果。

1、美国公司正在将硅晶体管的应用经验转化到氮化镓（GaN）上，从而制造缩小版的GaN晶体管并提升频率性能，采用更精细的栅极间距和线路。已推动了宽禁带半导体项目产生的典型技术：0.25微米栅连接能力，将目前雷达和通信系统工作的2-10 G赫兹的频率提高到数百G赫兹的频率。

2、美国军方另一个是‘微尺度功率变换’项目，在高频工作的上着眼于缩小氮化镓（GaN）晶体管。重新优化它们的功率变换在以用于比平常更高的频率上。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。如果能够利用氮化镓（GaN）的动态性能，则可以极大地提高这些放大器的效率。将这些氮化镓（GaN）功率转换器整合到氮化镓（GaN）射频放大器，以创建高效率的宽带通信设备。

美国远程识别雷达

3、Qorvo公司与美国军方正在合作开展一项研究项目。其中一项工作是氮化镓（GaN）与人造金刚石的热管理。类似于氮化镓（GaN）， 金刚石是一种宽禁带半导体材料，有着略宽的禁带和优越的传导性。金刚石一般是用晶体生长技术制造的，是人造金刚石。人造金刚石的投资早于氮化镓（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。

美国军方有一个被称作“近结热传输”（NJTT）的项目。该项目着眼于为氮化镓（GaN）和其他设备集成热层。就管理热负荷方面而言，NJTT与金刚石散热项目采用的方法相同。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。虽然美国军方没有对它们进行广泛的投资，会继续予以关注。”

4、另外、诺格公司正在探索超越氮化镓（GaN）的先进概念和技术。在设备级的高度集成方面有一些非常令人兴奋的成果。在射频系统领域进行研究和开发能提供基于性能或经济可承受性或两者兼顾的优化技术。诺格公司在硅化锗（SiGe）方面做了大量工作。硅化锗(SiGe)在获得射频电路高度集成方面具有优势。目前很可能会获得最大关注的方面是正在通过硅化锗(SiGe)来实现实现更高的集成度。硅化锗(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大规模集成电路的能力。如果进一步连接专用集成电路和模数转换器，就能够实现直接数字转换，美国军方已有这方面的合同。