装备福建舰、歼35、歼20AS，采用氮化镓技术的新一代雷达有多牛？
前言
氮化镓器件与砷化镓器件相比，具备功率大、高频性能好、效率高等优点，是新一代有源相控阵雷达的首选。甚至有这样一种说法：如果说2020年雷达进入了有源相控阵时代，那么2025年之后，有源相控阵将会进入氮化镓时代，这种表述的时间线虽然不尽恰当，却反映了氮化镓的重要性。
早在2020年5月，我国三代半导体（氮化镓）团队就获得了“全国创新争先奖”，表明在这个领域我国已经取得了重大突破。其实早在2017年，用于出口的SLC-2E炮位侦察雷达就已经采用了氮化镓器件。以我国雷达技术的发展速度，福建舰、歼35和歼20AS的有源相控阵雷达大规模应用氮化镓技术已经是可以确定的了。大规模应用氮化镓技术后，三者雷达的探测距离将实现堪比机械扫描雷达到有源相控阵雷达的增幅，那么氮化镓是如何做到这一点的呢？
福建舰的有源相控阵雷达将大规模应用氮化镓器件
从微观角度分析氮化镓器件的优势
具体来说，作为第三代半导体材料，氮化镓器件的禁带宽度、电⼦迁移率、工作效率等关键指标远远优于第一二代的硅和砷化镓材料。
在这里需要先了解几个专业性较强的术语：
而要导电就要有自由电子存在，被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够的能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度，单位是电子伏特(eV)。
氮化镓器件的禁带宽度为3.4eV，约为砷化镓的2.4倍，硅的3倍。禁带宽度大表明电子需要更大的能量才能成为自由电子，这就意味着氮化镓器件有更大的击穿电压(可达100V直流电压)。正因为如此，相比砷化镓器件，氮化镓器件的工作电压高5倍，功率密度则高10倍。
另外，禁带宽度大还意味着更高的工作温度。一般硅基材料的温度耐受能力只有200℃，砷化镓也只有600℃左右，而氮化镓的熔点高达1700℃。用氮化镓材料制造的器件可在300℃下正常工作，很适合用于航天、军事或其它高温环境。
二是电子迁移率。 电子迁移率是用于描述金属或半导体内部的电子在电场作用下移动快慢程度的物理量。氮化镓的电子迁移率是硅的2.5倍，是砷化镓的2倍。电子迁移率越高意味着电子的传导效率越高，因此用氮化镓材料制造的微波器件有更好的高频特性，其工作频率可以达到300GHz，而砷化镓只有80G，硅仅为10G。
氮化镓器件具备优异的高频性能
三是工作效率。 工作效率就比较好理解了，它一般指工作投入与产出之比，具体到半导体器件，指的是输入能量与输出能量之比。氮化镓器件的内部电阻非常低，而低电阻可以让半导体运作时产生的热量降低。另外，更高的击穿电压也使氮化镓器件的泄漏电流比硅器件大幅减少，这也有助于提高效率。最后，由于氮化镓材料具备极强的耐高温能力，同样功率条件下，它几乎不需要冷却设备，同样冷却条件下，它可以在更高的温度下工作，这对效率的提高效果是非常明显的。因此，氮化镓制成的元件与同类硅元件相比，效率可提升70%。一个更加直观的例子是，假如所有电器都换成氮化镓材质，整体用电量将会减少20%。
而有源相控阵雷达用砷化镓材料制造的T/R模块效率不高，只有30%左右，换句话说输入雷达的电能只有一小部分转换成电磁能量辐射出去了，剩下的大部分都转化成了热能。而一部有源相控阵天线可能有成百上千个T/R模块，这些T/R模块全部工作的时候会产生巨大的热量，而高温又是电子设备的大敌，所以有源相控阵雷达一个很大的技术难题就是热量控制。而用氮化镓材料制造的T/R模块效率可达48%，不仅能量利用率大幅提高，产生的热量还大幅减小，这一反一正的效果不可估量，也许这就是福建舰能上32面盾的奥秘所在吧。
有源相控阵天线的散热是一大难题
虽然有以上种种优点，但氮化镓的热导率却仅为砷化镓的一倍，这成了限制其优异性能发挥的瓶颈，而碳化硅的热导率是氮化镓的3倍，成为高功率密度射频组件的首选衬底。如果氮化镓器件配合碳化硅衬底，可以同时做到⾼功率和⾼效率。
E-2D的APY-9雷达就采用了碳化硅技术，性能提升明显
从宏观角度分析雷达大规模应用氮化镓技术的优势
据 DARPA（美国防部高级研究计划局）称，与砷化镓相比，同样尺寸下，采用氮化镓器件的天线发射功率要大一个数量级，探测距离可增加77％，这已经堪比机械扫描雷达到有源相控阵雷达的增幅了。相应的，在相同功率下，采用氮化镓器件的天线可将接收/发射单元的数量减少到原来的1/10，从而大大减少天线阵面的尺寸，使雷达变得更小更轻。
采用氮化镓器件后，我国SLC-2E雷达对RCS=2㎡的目标探测距离达260公里
美国SPY6雷达采用氮化镓器件后，平均功率达到了1MW，
另外，根据实验室测试，氮化镓元器件的平均无故障间隔时间( MTTF)可达上万小时，而用氮化镓制造的晶体管，平均寿命可达5-10万小时，而战斗机的寿命也就是1万小时，这意味着什么，已经不用多说了。
我国有源相控阵雷达大规模采用氮化镓器件的影响
大规模采用氮化镓器件后，福建舰、歼35、歼20AS等平台的雷达探测距离将大幅增加，对应导弹的射程就显得相对不足了。如歼20AS的雷达探测距离若增加77%，将达到500公里左右，PL15空空导弹200公里的射程就不够用了，得用射程四五百公里的PL21才行，而PL21又装不进歼20AS的弹舱，矛盾就显现出来了。
另外，歼16装备大规模应用氮化镓器件的雷达后，探测距离也可以达到500公里，就可以自行制导PL21，不再需要依托体系支持了。而且随着新一代雷达的普及，原本在后方活动的加油机、运输机等大型目标也彻底的失去了活动空间，这对加油机、运输机规模庞大的美军来说，可不是什么好消息。
歼16及其挂载的PL21
结语
总而言之，氮化镓技术的广泛应用将是继有源相控阵雷达问世之后的又一场革命，而我国因在远程空空导弹领域占优将赢得先机。美国的氮化镓技术虽然不差，但匹配的空空导弹却跟不上，处于看得到打不着的境地，要知道美国类似PL15的AIM260还处于研制状态，射程就已经不够了。另外，氮化镓器件的广泛应用，也会使本来就在砷化镓技术应用上处于第一梯队的中美与英、法、日、德等国的差距进一步拉大，它们将彻底沦为“打酱油的”。
惚恍微电子发布首款SPAD芯片，可用于HDR成像
SPAD面阵传感器主要应用在dToF 3D传感领域，惚恍微另辟蹊径，对SPAD面阵的成像特性进行了探索，此次发布的芯片型号为HHC0101，分辨率120*120，传感器尺寸为1/3英寸，具有高感度，低暗噪声，天然高动态等特性，可用于RGB彩色成像，在暗光和高动态场景等场景下，相比传统CMOS图像传感器（CIS）具备优势。
近日，上海惚恍微电子发布了其第一款SPAD面阵芯片原型（Single Photon Avalanche Diode,SPAD）：HHC0101，并展示了HHC0101用于彩色成像的Demo效果，在HDR场景中，HHC0101成像的动态范围表现，远超常规CMOS图像传感器（CIS）。图1.芯片及其模组实物照片
目前SPAD面阵的主要应用领域为dToF 3D传感，其单光子雪崩效应配合高精度的时间数字转换器（TDC，10~100ps级别精度），提供了超高的灵敏度以及时间分辨能力，使得SPAD dToF成为3D传感领域最具潜力的技术。在消费电子领域，苹果于2020年在iPad pro及后续的iPhonepro机型上陆续搭载了SPAD dToF传感器(LidarScanner)，开创了先河，未来有望在AR/VR领域迎来爆发；在车载领域，已有多家头部激光雷达厂商将目光瞄准了SPAD面阵，尤其是去年Sony发布了车载激光专用的SPAD dToF传感器IMX459，将大大加速SPAD在激光雷达领域的商业落地。除了3D传感，SPAD也可以用于2D成像。2021年，Sony和Canon分别发表了学术论文，展示了SPAD面阵用于2D成像的效果，引起了业界广泛关注。(a)
(b)
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图3，HDR场景图片，右上角为高亮的LED灯珠：a）HHC0101所拍摄，LED部分未过曝；b）工业相机拍摄，10ms曝光，LED部分已严重过曝溢出；c）工业相机拍摄，为使LED部分像素不过曝，曝光时间为0.1ms。
据悉，惚恍微是国内首家探索SPAD面阵传感器在成像领域应用的公司。通过搭建基于HHC0101的成像系统Demo，积累了关于SPAD成像的宝贵Knowhow，并计划在下一颗芯片中合入优化设计，包括小像素，分辨率，DCR，DeadTime，PRNU，时序控制等，进一步提升SPAD面阵的成像能力关于惚恍微电子
惚恍微电子成立于2021年初，位于上海张江，致力于设计和开发高精度、低功耗、并具备成本竞争力的SPAD dToF 3D传感芯片；
创始人毕业于清华大学，分别在sensor设计公司和华为各工作多年，积累了从芯片设计到消费电子终端产品的上下游产业经验。公司团队的其他成员也来自于国内外半导体公司和业界Top终端大厂，同样具有多年从事芯片设计和camera设计的经验；公司现有研发人员30+，其中博士超过1/3，硕士博士总比例超过90%，未来一年规划建立100人以上的研发团队。
惚恍微官方邮箱： info@hhmicro.cn
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