氮化鎵在航天領(lǐng)域的需求

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）上周日，問天實(shí)驗(yàn)艙由長征5號B遙三運(yùn)載火箭送上太空，并與中國空間站天和核心艙順利完成對接。而除了將問天實(shí)驗(yàn)艙這個當(dāng)今世界上現(xiàn)役最大的單體載人航天艙段送上太空之外，這次“問天”發(fā)射任務(wù)中還值得我們關(guān)注的點(diǎn)是，國產(chǎn)氮化鎵芯片在這次發(fā)射任務(wù)中，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。

國基南方、55所氮化鎵產(chǎn)品隨“問天”上天

據(jù)了解，這次問天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射任務(wù)中，中電國基南方、中電五十五所配套保障了35款，共數(shù)萬只關(guān)鍵核心元器件。其中主要配套的是以氮化鎵PA為主的多款射頻芯片，模塊組件、GaN FET和絕緣子、GaN 二極管等產(chǎn)品，分別應(yīng)用于載荷系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、地面測控系統(tǒng)等。其中氮化鎵PA還是首次在星載領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)批量工程化應(yīng)用，氮化鎵PA作為載荷系統(tǒng)——也就是問天實(shí)驗(yàn)艙的關(guān)鍵核心元器件。另外限幅低噪放芯片、多功能芯片和開關(guān)芯片等微波芯片，突破了窄帶高效率等設(shè)計技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)微波信號發(fā)射、接收等功能。

實(shí)際上，在這次問天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射任務(wù)前，國基南方、55所的氮化鎵器件就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了宇航應(yīng)用，參與了保障北斗導(dǎo)航、火星探測、載人航天等系列重大發(fā)射任務(wù)。

此前北斗三號衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師林寶軍在接受采訪時曾表示，北斗三號系統(tǒng)采用了150W大功率氮化鎵高效固放設(shè)備，即固態(tài)高頻功率放大器。據(jù)電子發(fā)燒友了解，這種固放設(shè)備應(yīng)用了微波單片集成電力（MMIC）和優(yōu)化設(shè)計的微波網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以將多個微波功率器件、低噪聲接收器件等組合成固態(tài)發(fā)射模塊或固態(tài)收發(fā)模塊，具有互調(diào)性能好、功耗低、頻帶寬、體積小、重量輕、維護(hù)成本低、壽命長、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

中電55所成立于1958年，是國內(nèi)最早從事第三代半導(dǎo)體材料研發(fā)的科研單位之一。近年來跟隨國家戰(zhàn)略需求，中電55所和以中電55所為主體組建的中電國基南方在氮化鎵射頻器件領(lǐng)域展開技術(shù)攻關(guān)，目前在外延材料、產(chǎn)品設(shè)計、工藝制造、測試及可靠性等方面，突破了一批關(guān)鍵核心技術(shù)，建立了成熟穩(wěn)定的氮化鎵微波毫米波器件技術(shù)體系和產(chǎn)品體系。

氮化鎵已經(jīng)成為航天領(lǐng)域的寵兒

對于航天應(yīng)用的半導(dǎo)體芯片，從地面到太空，面臨著多個挑戰(zhàn)。包括發(fā)射過程中的強(qiáng)烈震動和加速度，在太空中極端的高溫和低溫，由于光電效應(yīng)和衛(wèi)星周圍低密度等離子體導(dǎo)致的高壓靜電放電等等，這些問題都還算比較容易解決。而最難應(yīng)付的是太空中各種射線、輻射等對于電子元器件的影響，太空中的各種粒子可以輕易穿透衛(wèi)星以及其中的各種電子元器件，造成比如電荷積累導(dǎo)致的漏電流、增益下降等問題，甚至導(dǎo)致電位反轉(zhuǎn)、內(nèi)存狀態(tài)變化、柵極氧化層損壞等，嚴(yán)重影響可靠性。

傳統(tǒng)硅器件在航天應(yīng)用上，也有多種手段降低輻射影響，比如選擇更大線寬的制程，設(shè)計冗余提高容錯率、模塊獨(dú)立化等等。但問題是，對于抗輻射等技術(shù)需求極高，且需求量不大，導(dǎo)致很多航天級芯片價格都高得離譜，比如賽靈思的航天級FPGA芯片XQR5VFX130-1CF1752V，單片售價超過120萬人民幣，且有價無貨，并對中國禁售（參考瓦森納協(xié)議）。

但氮化鎵對于電磁輻射的敏感性低，氮化鎵器件在輻射環(huán)境中擁有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)航天級的成本較低，并且相比與硅、砷化鎵等可以工作在大得多的溫度范圍下。因此氮化鎵的耐輻射特性使得它在航天領(lǐng)域受到了廣泛應(yīng)用。

在航天領(lǐng)域，除了前面提到的射頻器件之外，由于氮化鎵功率器件的開關(guān)頻率高，可以在衛(wèi)星電源上實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，更高的能源效率，甚至減輕載荷重量，在一定程度上降低發(fā)射成本。所以氮化鎵功率器件也已經(jīng)在衛(wèi)星電源上得到應(yīng)用，目前包括GaN Systems、SSDI、CAES、EPC、Microchip、Wolfspeed等公司都推出了航天級GaN FET產(chǎn)品，應(yīng)用在DC-DC、降壓轉(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動器、功率控制器等領(lǐng)域。

而隨著未來商業(yè)航天的興起，對于載荷成本和發(fā)射成本持續(xù)壓縮的要求之下，氮化鎵在航天領(lǐng)域的需求或許將會成為氮化鎵市場新的高速增長點(diǎn)。