GaN射频器件应用于雷达的优势

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8800cm ^2^ /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（2.46×10^7^cm/s）是GaAs的数倍之大（1×10^7^cm/s），甚至远高于GaAs在低电场下的饱和漂移速度（1.8×10^7^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1×10^9^小时，1×10^6^小时。在1×10^6^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。