氮化镓是金属材料吗？

氮化镓（GAN)是什么？

氮化镓（GAN）是第三代半导体材料的典型代表，在T=300K时为，是半导体照明中发光二极管的核心组成部份。氮化镓是一种人造材料，自然形成氮化镓的条件极为苛刻，需要2000多度的高温和近万个大气压的条件才能用金属镓和氮气合成为氮化镓 ，在自然界是不可能实现的。

大家都知道，第一代半导体材料是硅，主要解决数据运算、存储的问题；第二代半导体是以砷化镓为代表，它被应用到于光纤通讯，主要解决数据传输的问题；第三代半导体则就是以氮化镓为代表，它在电和光的转化方面性能突出，在微波信号传 输方面的效率更高，所以可以被广泛应用到照明、显示、通讯等各大领域。1998年，美国科学家研制出了首个氮化镓晶体管。

氮化镓（GAN)的性能特点

高性能：主要包括高输出功率、高功率密度、高工作带宽、高效率、体积小、重量轻等。目前第一代和第二代半导体材料在输出功率方面已经达到了极限，而GaN半导体由于在热稳定性能方面的优势，很容易就实现高工作脉宽和高工作比，将天线单 元级的发射功率提高10倍。

高可靠性：功率器件的寿命与其温度密切相关，温结越高，寿命越低。GaN材料具有高温结和高热传导率等特性，极大的提高了器件在不同温度下的适应性和可靠性。GaN器件可以用在650°C以上的军用装备中。

低成本：GaN半导体的应用，能够有效改善发射天线的设计，减少发射组件的数目和放大器的级数等，有效降低成本。目前GaN已经开始取代GaAs作为新型雷达和干扰机的T/R（收/发）模块电子器件材料。美军下一代的AMDR（固态有源相控阵雷达） 便采用了GaN半导体。氮化镓禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越性质，使得它成为迄今理论上电光、光电转换效率最高的材料体系，并可以成为制备宽波谱、高功率、高效率的微电 子、电力电子、光电子等器件的关键基础材料。

GaN较宽的禁带宽度(3.4eV) 及蓝宝石等材料作衬底，散热性能好，有利于器件在大功率条件下工作。随着对Ⅲ族氮化物材料和器件研究与开发工作的不断深入，GaInN超高度蓝光、绿光LED技术已经实现商品化，现在世界各大公司和研究机构都纷纷 投入巨资加入到开发蓝光LED的竞争行列。

氮化镓的应用

氮化镓作为半导体发光二极管应用于LED照明也已经在中国发展得风起云涌。目前市场上大规模应用于LED照明的氮化镓芯片距离氮化镓真正的“神奇能量”还相距甚远。GaN半导体可以使得汽车、消费电子、电网、高铁等产业系统所使用的各类电机、 逆变器、AC/DC转换器等变得更加节能、高效。GaN用在大功率器件中可以降低自身功耗的同时提高系统其它部件的能效，节能20%-90%。

氮化镓的未来发展

GaN宽禁带电力电子器件代表着电力电子器件领域发展方向，材料和工艺都存在许多问题有待解决，即使这些问题都得到解决，它们的价格肯定还是比硅基贵。预计到2019年，硅基GaN的价格可能下降到可与硅材料相比拟的水平。由于它们的优异特 性可能主要用于中高端应用，与硅全控器件不可能全部取代硅半控器件一样，SiC和GaN宽禁带电力电子器件在将来也不太可能全面取代硅功率MOSFET、IGBT和GTO(包括IGCT)。SiC电力电子器件将主要用于1200V以上的高压工业应用领域；GaN电力电 子器件将主要用于900V以下的消费电子、计算机/服务器电源应用领域。

GaN作为第三代半导体材料，其性质决定了将更适合4G乃至未来5G等技术的应用。从现在的市场状况来看，GaAs仍然是手机终端PA和LNA等的主流，而LDMOS则处于基站RF的霸主地位。但是，伴随着Si材料和GaAs材料在性能上逐步达到极限，我们预计 GaN半导体将会越来越多的应用在无线通信领域中。

因为自主研发了。实际上！雷达是一种利用发射电磁波照射目标并接收回波，通过算法处理获得目标的距离、方位、高度等信息的技术。近几年来，相控阵技术在雷达领域逐步扩展。而且，相控阵雷达利用馈电控制电磁波束电子扫描，实现多波束快速扫描探测，还可根据实际情况灵活地控制波束形状，在反应速度、目标更新速度、多目标跟踪能力、电子对抗能力等方面大大优于机械雷达，成为当前雷达行业发展的主要方向。

曾经有一段时间，军迷们对美国的宙斯盾驱逐舰非常羡慕，最感兴趣的还是它装备的相控阵雷达和发射系统。长时间以来，相控阵雷达一直令我们望眼欲穿，但由于雷达技术和加工工艺的差距，我们很难生产出适于用于舰艇、飞机(歼20、歼10、预警机)等设备的小型相控阵雷达，军队的工作人员只能默默地进行相关技术和工艺的攻关。

而在新中国早期时候，我国科学家临危受命地开启了相控阵雷达的研制技术，当时这项技术在世界上属于最尖端的科技，只有美苏两国才能掌握。由于没有任何技术信息，所以就只能从最基本的雷达技术开始研究。在这样艰苦的条件下，仅用七年时间，相控阵雷达的研制就取得了全面突破，进入了安装、调试的全面阶段。

而且在研发成功的第二年，中国第一代超远程陆基战略预警雷达正式投入使用，7010也成为当时亚洲最大的相控阵雷达基地。7010位于河北宣化地区，由8976个馈源组成，探测距离最远可达3000公里，能连续追踪10多次以上的目标，使我国的国防建设迈上了一个新的台阶。

而在今年年初时候，好消息再次传来，我国相控阵雷达领域又有喜讯，那就是我国“氮化镓技术”取得突破。事实上，氮化镓并不是那么令人难以置信，简单地说，这是半导体材料中的一种，叫做 GaN，实际上，现在很多民用手机充电器都号称采用了氮化镓技术。

就专业领域而言，氮化塔(GAN)器件比现有的砷化塔(GAAS)器件具有更强的功率和更好的耐热性能，是新一代主动相控阵雷达的首选。有些人曾这样描述过 GAN器件的重要性，如果说雷达在2020年后进入有源相控阵时代，那么2025年后就是有源相控阵时代过渡到GAN时代。

实际上！在此之前，中电国睿14所参与开发的一个重大项目曾获国家科技进步一等奖，这是中电第16次获此殊荣。当时研发成功初期，如果问哪个项目获得了大奖，得到的回答是“因为太先进了，不方便展示”。但基于该单位一直是中国军事雷达研发基地，自然而然就是雷达核心技术取得了革命性的技术突破。而在今年五月中旬，国内的“NetAgain”团队获得了“国家创新竞赛奖”，进一步证实了这个推测，因为 NetAgain技术被认为是未来相控阵雷达应用的核心技术。

那氮化镓技术，即 GaN的研发成功对相控阵雷达有何突出进步呢？事实上！目前先进探测雷达一般都是从无源相控阵转向有源相控阵。然而有源相控阵虽然性能良好，但在增大探测距离的同时缺点也十分明显，即发热量大，同时雷达体积大。由于增加相控阵雷达的探测距离，无非是增加天线和 T/R组件的功率，而 T/R组件的功率越大，所需转换的热能也就越大，所以我们看到第一代中华神盾都是圆弧形凸起的风冷式散热罩，下面还有大的散热管，后面又换了液冷才变平。

据介绍，相控雷达增加的探测距离有天线增益和 T/R组件增益两种途径， T/R组件增益越大，所需转换的热能就越多，严重限制了雷达的性能。采用 T/R组件可以很好地解决这一问题，因为这种器件体积更小，功率更高，同样体积下的耐热性更好，能够使雷达在更大功率下稳定运行，而不需要增加散热条件，同样口径的雷达探测距离可以成倍增加。

威力较大的雷达，探测距离远，抗干扰能力强，可大大提高武器命中率。有关的中国研发单位获奖，表明该领域已取得重大突破，在第三代半导体核心材料——氮化镓的大规模生产和应用方面首次处于世界领先地位。用 GAN制造的器件不仅体积小，而且功率更高，耐热性也更好，这样可以使雷达在更大功率下稳定工作，而不增加散热条件，简直是有源相控阵雷达的理想材料。

实际上！对雷达而言， GAN器件带宽较大，增益较高，带宽越大，雷达分辨率越高，探测目标越小，国内外雷达业界普遍认为，到2020年以后，战场上的隐身目标会更广泛，对雷达的探测能力要求也越高，这就是有源相控阵雷达 GAN化的一个重要原因。此外，较大的带宽也意味着更好的雷达抗电子干扰能力，这对于现代战场上越来越激烈的电子战来说，显然是非常宝贵的。

当然，这个装置如果用于055大驱和歼20的雷达，也是另一回事。对主动相控阵雷达而言，氮化镓将带来革命性的进步。外部人士曾猜测国产055驱逐舰上的舰载有源相控阵雷达，很可能采用了基于 GAN器件的 T/R组件，以获得更大的功率、增益和带宽。

雷达探测距较远，灵敏度较高，能较好地检测隐身目标。这种技术的应用使055型驱逐舰的作战能力大大提高。此外，国产新一代预警机、机载火控雷达、防空雷达等也有可能已经或即将应用 GAN器件，为雷达性能的提升奠定了坚实的基础。

而且，据有关报道，中国的战机也开始装备有源相控阵雷达，准确地说，中国在进入新世纪之后，许多技术随着国力的增长投入不断增加，许多原本没有钱做的事情，后来得到了大量的资金支持，这也为中国技术的爆发打下了坚实的基础。

总而言之，中国在相控阵雷达领域明显领先于美国，这让美国这个几十年来一直拥有雷达技术优势的国家措手不及，

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