氮化镓在航天领域的需求

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）上周日，问天实验舱由长征5号B遥三运载火箭送上太空，并与中国空间站天和核心舱顺利完成对接。而除了将问天实验舱这个当今世界上现役最大的单体载人航天舱段送上太空之外，这次“问天”发射任务中还值得我们关注的点是，国产氮化镓芯片在这次发射任务中，已经被广泛应用。

国基南方、55所氮化镓产品随“问天”上天

据了解，这次问天实验舱发射任务中，中电国基南方、中电五十五所配套保障了35款，共数万只关键核心元器件。其中主要配套的是以氮化镓PA为主的多款射频芯片，模块组件、GaN FET和绝缘子、GaN 二极管等产品，分别应用于载荷系统、运载火箭系统、地面测控系统等。其中氮化镓PA还是首次在星载领域实现批量工程化应用，氮化镓PA作为载荷系统——也就是问天实验舱的关键核心元器件。另外限幅低噪放芯片、多功能芯片和开关芯片等微波芯片，突破了窄带高效率等设计技术，用于实现微波信号发射、接收等功能。

实际上，在这次问天实验舱发射任务前，国基南方、55所的氮化镓器件就已经实现了宇航应用，参与了保障北斗导航、火星探测、载人航天等系列重大发射任务。

此前北斗三号卫星系统总设计师林宝军在接受采访时曾表示，北斗三号系统采用了150W大功率氮化镓高效固放设备，即固态高频功率放大器。据电子发烧友了解，这种固放设备应用了微波单片集成电力（MMIC）和优化设计的微波网络技术，可以将多个微波功率器件、低噪声接收器件等组合成固态发射模块或固态收发模块，具有互调性能好、功耗低、频带宽、体积小、重量轻、维护成本低、寿命长、稳定可靠等特点。

中电55所成立于1958年，是国内最早从事第三代半导体材料研发的科研单位之一。近年来跟随国家战略需求，中电55所和以中电55所为主体组建的中电国基南方在氮化镓射频器件领域展开技术攻关，目前在外延材料、产品设计、工艺制造、测试及可靠性等方面，突破了一批关键核心技术，建立了成熟稳定的氮化镓微波毫米波器件技术体系和产品体系。

氮化镓已经成为航天领域的宠儿

对于航天应用的半导体芯片，从地面到太空，面临着多个挑战。包括发射过程中的强烈震动和加速度，在太空中极端的高温和低温，由于光电效应和卫星周围低密度等离子体导致的高压静电放电等等，这些问题都还算比较容易解决。而最难应付的是太空中各种射线、辐射等对于电子元器件的影响，太空中的各种粒子可以轻易穿透卫星以及其中的各种电子元器件，造成比如电荷积累导致的漏电流、增益下降等问题，甚至导致电位反转、内存状态变化、栅极氧化层损坏等，严重影响可靠性。

传统硅器件在航天应用上，也有多种手段降低辐射影响，比如选择更大线宽的制程，设计冗余提高容错率、模块独立化等等。但问题是，对于抗辐射等技术需求极高，且需求量不大，导致很多航天级芯片价格都高得离谱，比如赛灵思的航天级FPGA芯片XQR5VFX130-1CF1752V，单片售价超过120万人民币，且有价无货，并对中国禁售（参考瓦森纳协议）。

但氮化镓对于电磁辐射的敏感性低，氮化镓器件在辐射环境中拥有很强的稳定性，实现航天级的成本较低，并且相比与硅、砷化镓等可以工作在大得多的温度范围下。因此氮化镓的耐辐射特性使得它在航天领域受到了广泛应用。

在航天领域，除了前面提到的射频器件之外，由于氮化镓功率器件的开关频率高，可以在卫星电源上实现更高的功率密度，更高的能源效率，甚至减轻载荷重量，在一定程度上降低发射成本。所以氮化镓功率器件也已经在卫星电源上得到应用，目前包括GaN Systems、SSDI、CAES、EPC、Microchip、Wolfspeed等公司都推出了航天级GaN FET产品，应用在DC-DC、降压转换器、电机驱动器、功率控制器等领域。

而随着未来商业航天的兴起，对于载荷成本和发射成本持续压缩的要求之下，氮化镓在航天领域的需求或许将会成为氮化镓市场新的高速增长点。