含镓半导体功率材料广泛应用于雷达技术领域

自八月一日起，我国对镓锗等金属原材料的出口管制将开始实施。这一管制措施的影响是极为深远的，我们这次就来聊一聊这个话题。在我国管制出口的金属原材料当中镓是非常重要的金属元素。镓广泛应用于半导体功率器件中。半导体功率器件的主要作用就是对电子信号或者电流进行放大。功率器件使用的半导体材料目前已经发展了四代，第一代主要是硅，第二代主要是砷化镓，第三代是氮化镓和碳化硅，第四代是氧化镓。

第一代的功率半导体材料硅在技术上相对落后，现在基本上已经很少用了。目前使用的功率半导体材料主要是砷化镓，而第三代功率半导体材料氮化镓和碳化硅正在逐步替代砷化镓。第四代半导体材料氧化镓还处在研发当中，实际应用基本上还没开始。大家可以看到，金属镓在功率半导体器件当中的地位是非常重要的。第二、三、四代功率半导体材料几乎都会用到金属镓。

(资料图片)

美军新一代NGJ-LB电子战吊舱开始使用氮化镓功率器件

那么功率器件主要用在哪些技术领域呢？主要使用在雷达、电子战、通信等涉及无线电信号的发射处理等技术领域。主要是以功率分立器件和微波集成电路的形式存在。换而言之主要是用于军用电子和通信行业。而大家通常所说的芯片其实主要是用于信息处理而不是无线电信号的处理。当然微波集成电路属于芯片的一个比较小的应用分支。大家通常所说的芯片领域其实很少用到镓和锗，用到的非金属化学元素主要是硅、砷、磷、硫等。金属元素主要是铜、锑、铝、钛、镍、钴、钨、钽等。金属锗在非微波集成电路芯片领域用的也不多，主要是用来做红外光学传感器、通信光纤、太阳能电池板等等。换句话说镓锗材料的出口管制影响的其实主要是军用尖端电子设备和通信领域，不是我们通常所说的半导体芯片领域。

第四代功率半导体材料氧化镓

那么有没有不会受我国管制影响的功率半导体材料呢？答案是有，不过不要高兴得太早。第二、三、四代功率半导体都要用到镓。至于再往后的更先进的功率半导体材料还没有完成研发，从研发到产品能用至少需要一二十年时间，眼下指望不上。因为现在镓被管制，等不到那个时候，现有的美弟军工电子、通信企业都要倒闭了。在第三代半导体材料当中除了氮化镓，还有一个是碳化硅，其原材料是非常容易获得的，不会用到镓和锗，而且成本也非常低。

碳化硅的性能也不错，其带隙是3.4eV，而氮化镓是3.5eV。这就意味着碳化硅能够比氮化镓工作在更高的电压下。氮化镓的电子迁移率是2000 cm²/(V·s)，而且但是碳化硅的电子迁移率是650 cm²/(V·s)。这就说电子通过氮化镓的速度远比碳化硅高的多，这就意味着氮化镓要比碳化硅更适合工作在更高的频率下。碳化硅的导热率是5W/cmK，氮化镓的导热率是1.35W/cmK。这就意味着碳化硅能够工作在更高的温度下。可见氮化镓和碳化硅各有所长，分别适合不同的技术领域。

用于5G通信基站的国产氮化镓功率器件

氮化镓更多用于雷达、电子战、通信技术领域，而碳化硅在这些领域的应用就非常少。在雷达技术领域，美弟E-2D预警机的雷达就使用了碳化硅功率器件。因为E-2D预警机的雷达工作在UHF频段，工作频率在雷达当中属于是非常低的，所以使用碳化硅功率器件的劣势就不明显。实际上碳化硅更多的应用是在电力领域，用于电流的放大和控制。比如电动汽车和高铁就会用到碳化硅的MOSFET功率器件，属于是IGBT 芯片的升级换代产品。可以发挥碳化硅耐高压、耐高温的优势。而在电力领域氮化镓主要用在小功率设备上，比如我们手机和笔记本的充电器上。

碳化硅功率器件

大家都知道，我国此次镓锗半导体材料的出口管制主要针对的对象就是美弟。美弟不但对我国半导体技术进行封锁，企图影响我国5G通信、人工智能、半导体芯片等尖端技术领域的发展。而且还粗暴干涉我国台湾问题，威胁使用军事手段，售台军事装备，企图阻止我国实现统一。所以这次我国的出口管制措施打击的目标也是对应的。针对的就是军用尖端电子产品和通信技术领域。那么这次的管制措施会影响到哪些具体的产品呢？主要是雷达、电子战、通信设备。目前美弟海陆空三军用到的雷达、电子战、通信设备都要用到金属镓，主要是以第二代功率半导体器件砷化镓为主，目前逐渐在向第三代半导体功率器件氮化镓过渡。

F22战斗机装备的APG-77雷达还在使用第二代砷化镓功率器件

像美弟空军的F35、F22战斗机，目前装备的APG-81和APG-77雷达使用的都是第二代砷化镓功率器件，在技术上比我国在2010年左右开始普及的氮化镓功率器件落后一代。氮化镓功率器件的发射功率要比上一代的砷化镓功率器件高十倍，雷达性能可以获得很大优势。目前F35战斗机打算升级到BLOCK4，其中雷达会升级到APG-85雷达，这是美弟主力战斗机火控雷达首次使用氮化镓功率器件。此前装备的基本都是砷化镓功率器件，像超级大黄蜂使用的APG-79雷达，F16V上使用的APG-83雷达用的还都还是砷化镓的功率器件。 不过F35最近已经降低了产量，也推迟了APG-85雷达的换装时间到2026年，不知道是不是被卡了脖子。

美海军阿利伯克3的首舰DDG125号开始换装SPY-6相控阵雷达

最近美弟海军的最新主力舰艇阿利伯克3的首艘舰DDG125号开始换装SPY-6相控阵雷达，这部雷达用的就是氮化镓功率器件。这是美弟海军主力水面舰艇上首次开始在防空雷达上使用氮化镓功率器件。此前阿利伯克的雷达用的还是SPY-1被动相控阵雷达，连有源相控阵雷达都不是，在雷达工作体制上比我们落后了二、三代。我们知道相控阵雷达从被动相控阵到有源相控阵、数字阵列雷达、软件定义雷达，已经发展了四代。我国早在2012年左右就已经开始普及数字阵列雷达了，代表产品是空警500。目前已经转向软件定义雷达，在去年前年的珠海航展上中电科的销售已经在说可以像升级手机系统一样升级雷达，这就是软件定义雷达的典型技术特征。美弟陆军使用氮化镓功率器件稍早一些，大概在2018年左右，爱国者雷达上开始首次使用。

我国空警500预警机的雷达就是数字阵列雷达 目前已经发展到第二代

其实功率器件的技术在雷达、电子战、数据链、通信等领域的技术都是通用的。美弟所有尖端军事技术领域都会用到金属镓。我们说此次出口管制影响深远的另一个重要领域是通信，当然包括军用和民用都在内。现在我们的4G、5G通信，甚至未来的6G通信，但凡需要无线电信号的发射和处理，都会用到第二代、第三代、第四代功率器件。换句话说美弟的未来的整个通信产业都处于我国管制之下。这事关未来通信技术标准的争夺，也就是不久之后就会开始投入应用的5.5和6G技术标准的争夺。谁能尽快推出技术标准和产品，谁就能占得市场先机，谁能先占住市场谁的标准就是标准。站在这个意义上来说，这次的出口管制措施对6G标准的争夺也是至关重要的。

6G和5G最大的区别是6G通信更加泛在，而泛在的主要进步就在于天基星座的开始使用。也就是说未来低轨道通信卫星会成为6G通信的重要天基基站。谁能抢先发射部署低轨道卫星星座就成为6G标准争夺的一个重要前哨战。我们知道用于6G通信的通信卫星要想发射信号必然也会用到功率半导体，而且可能至少是以第三代氮化镓功率器件为主。甚至包括通信卫星用的太阳能电池板都是砷化镓材料的。所以只要抓住金属镓的出口，我们就能抓住6G通信的牛鼻子。美弟未来的军用尖端技术、通信技术都在我们的掌控之下。不是喜欢卡别人脖子吗，那就来瞧瞧到底谁能卡谁的的脖子。