杭州镓仁半导体宣布,基于自主研发的VB法长晶设备,全球首次实现12英寸氧化镓晶体等径生长。
这就说明了12英寸氧化镓晶圆要开始大规模量产了,到时候,氮化镓在中国都将成为落后产品,因为氮化镓雷达就要来了。
首先,这件事的关键不在实验室里长出一块晶体,而在于它能够稳定切成做芯片能用的合格衬底。衬底是芯片的底子,外延、刻线路、做器件都要在这片材料上完成。12英寸氧化镓晶圆实现等径生长,就意味着它可以切成合格的晶圆,这是从实验室样品走向工业化量产的核心一步。
除此之外,12英寸这个尺寸还有现实意义,它与当前主流的12英寸硅基产线具有较高兼容度,下游客户不需要为一种新材料重建整条生产线,直接用现有设备稍加改造就能试器件,产线兼容大幅降低了设备投资和产线切换成本。也就是降低了大规模量产的门槛。
氧化镓晶圆对中国来说,最有价值的,就是可以造出下一代的雷达核心材料,氧化镓雷达组件了。
我们要知道,现代战争的核心是体系对抗,雷达是战场感知的起点。没有雷达先发现,就谈不上先敌决策、先敌锁定、先敌打击。当前先进雷达普遍采用有源相控阵体制,天线阵面上集成数千个收发组件,每个组件独立完成信号发射和接收。组件的性能直接决定雷达的探测距离、成像清晰度、抗干扰能力和反隐身能力。
所以雷达技术的代际差距,本质上首先是半导体材料的差距。
雷达技术的发展可以分为数字阵列雷达、砷化镓有源相控阵雷达、氮化镓有源相控阵雷达、氮化镓数字阵列雷达、氧化镓数字阵列雷达。
很多人奇怪,有源相控阵雷达和数字阵列雷达,这有什么区别,传统有源相控阵的波束,是在模拟电路里“模拟”出来的;数字阵列雷达的波束,是在数字域里“算”出来的。
传统有源相控阵用模拟波束形成。发射时,中央波形发生器产生一路模拟射频信号,分到每个天线单元后的T/R组件。每个组件里的模拟移相器调相位,功放放大后送到天线,在空间合成波束。接收时,回波先低噪声放大,再经模拟移相器对齐相位,在模拟电路里合成接收波束,然后才做模数转换,交给后端处理。相位和幅度调节都在模拟电路完成,数字芯片只做信号解算,不参与波束形成。
数字阵列雷达用收发全数字波束形成,去掉模拟移相器和模拟波束合成网络。发射时,每个通道有直接数字频率合成器,在数字域生成相位、幅度、频率可调的发射波形,再经数模转换和功放发射。波束指向和形状由数字算法实时定义。接收时,每个通道回波放大后直接模数采样,所有通道数字信号送到后端,在数字域完成波束合成、脉冲压缩、目标检测等处理。波形产生到波束成形都在数字域靠软件实现,硬件只执行数字指令。
也正因为这个区别,数字阵列可以同时形成多个独立波束,同步实现搜索、跟踪、识别、电子干扰等不同功能,真正实现射频一体化,一部雷达可承担多部专用设备的任务。
也就是说机械扫描雷达、相控阵雷达、数字阵列雷达,这是技术的差距,而在不同的技术中,采用不同的材料,性能也会不同,最早是砷化镓,现在主流是氮化镓。
而氧化镓被公认为下一代雷达收发组件的核心候选材料。它的禁带宽度为4.8到4.9电子伏特,氮化镓只有3.4电子伏特,碳化硅为3.25电子伏特。
禁带宽度越大,材料能承受的电压越高,理论击穿场强可达8兆伏,是氮化镓的2.5倍、碳化硅的3倍。这意味着同样尺寸的收发组件,用氧化镓制造能输出的功率是氮化镓版本的好几倍。
理论计算显示,氧化镓雷达发射模块功率密度可达每平方厘米10千瓦以上,探测距离推到400至500公里,系统体积还能缩小六成。针对隐身战机,氧化镓雷达在400公里距离就能稳定抓住目标,氮化镓雷达最多到300公里。氧化镓还具备更强的高温稳定性和抗干扰能力,散热需求低于氮化镓,能支撑雷达持续满功率运行。在现代电子战环境下,这直接决定雷达能否在强干扰中稳定发现目标。
现在全球其他国家大部分仍停留在砷化镓有源相控阵阶段。美国F-35至今仍在使用砷化镓材料的APG-81雷达,计划换装的氮化镓APG-85雷达因软件和硬件接口问题一再推迟,而2025年6月以来超过300架新交付的F-35机头雷达罩内只安装了配重块。到现在为止,美国都还没有针对氧化镓技术进行系统的研究。
而中国在氧化镓材料端的量产突破,加上氮化镓阶段已经建成的雷达产业链和装机平台,使得氧化镓雷达从衬底到整机的路径已经打通。
等中国的氧化镓雷达开始批量列装的时候,美国的主力战机仍处在氮化镓雷达的换装爬坡阶段,这个时间差至少以20年计。
说的再直白点,美国和中国之间的雷达差距,已经是不可能追上的了。