國產氮化鎵芯片“上天”，中國空間站、北斗、火星探測都已經用上

電子發燒友網報道（文/梁浩斌）上周日，問天實驗艙由長征5號B遙三運載火箭送上太空，并與中國空間站天和核心艙順利完成對接。而除了將問天實驗艙這個當今世界上現役最大的單體載人航天艙段送上太空之外，這次“問天”發射任務中還值得我們關注的點是，國產氮化鎵芯片在這次發射任務中，已經被廣泛應用。

國基南方、55所氮化鎵產品隨“問天”上天

據了解，這次問天實驗艙發射任務中，中電國基南方、中電五十五所配套保障了35款，共數萬只關鍵核心元器件。其中主要配套的是以氮化鎵PA為主的多款射頻芯片，模塊組件、GaN FET和絕緣子、GaN 二極管等產品，分別應用于載荷系統、運載火箭系統、地面測控系統等。其中氮化鎵PA還是首次在星載領域實現批量工程化應用，氮化鎵PA作為載荷系統——也就是問天實驗艙的關鍵核心元器件。另外限幅低噪放芯片、多功能芯片和開關芯片等微波芯片，突破了窄帶高效率等設計技術，用于實現微波信號發射、接收等功能。

實際上，在這次問天實驗艙發射任務前，國基南方、55所的氮化鎵器件就已經實現了宇航應用，參與了保障北斗導航、火星探測、載人航天等系列重大發射任務。

此前北斗三號衛星系統總設計師林寶軍在接受采訪時曾表示，北斗三號系統采用了150W大功率氮化鎵高效固放設備，即固態高頻功率放大器。據電子發燒友了解，這種固放設備應用了微波單片集成電力（MMIC）和優化設計的微波網絡技術，可以將多個微波功率器件、低噪聲接收器件等組合成固態發射模塊或固態收發模塊，具有互調性能好、功耗低、頻帶寬、體積小、重量輕、維護成本低、壽命長、穩定可靠等特點。

中電55所成立于1958年，是國內最早從事第三代半導體材料研發的科研單位之一。近年來跟隨國家戰略需求，中電55所和以中電55所為主體組建的中電國基南方在氮化鎵射頻器件領域展開技術攻關，目前在外延材料、產品設計、工藝制造、測試及可靠性等方面，突破了一批關鍵核心技術，建立了成熟穩定的氮化鎵微波毫米波器件技術體系和產品體系。

氮化鎵已經成為航天領域的寵兒

對于航天應用的半導體芯片，從地面到太空，面臨著多個挑戰。包括發射過程中的強烈震動和加速度，在太空中極端的高溫和低溫，由于光電效應和衛星周圍低密度等離子體導致的高壓靜電放電等等，這些問題都還算比較容易解決。而最難應付的是太空中各種射線、輻射等對于電子元器件的影響，太空中的各種粒子可以輕易穿透衛星以及其中的各種電子元器件，造成比如電荷積累導致的漏電流、增益下降等問題，甚至導致電位反轉、內存狀態變化、柵極氧化層損壞等，嚴重影響可靠性。

傳統硅器件在航天應用上，也有多種手段降低輻射影響，比如選擇更大線寬的制程，設計冗余提高容錯率、模塊獨立化等等。但問題是，對于抗輻射等技術需求極高，且需求量不大，導致很多航天級芯片價格都高得離譜，比如賽靈思的航天級FPGA芯片XQR5VFX130-1CF1752V，單片售價超過120萬人民幣，且有價無貨，并對中國禁售（參考瓦森納協議）。

但氮化鎵對于電磁輻射的敏感性低，氮化鎵器件在輻射環境中擁有很強的穩定性，實現航天級的成本較低，并且相比與硅、砷化鎵等可以工作在大得多的溫度范圍下。因此氮化鎵的耐輻射特性使得它在航天領域受到了廣泛應用。

在航天領域，除了前面提到的射頻器件之外，由于氮化鎵功率器件的開關頻率高，可以在衛星電源上實現更高的功率密度，更高的能源效率，甚至減輕載荷重量，在一定程度上降低發射成本。所以氮化鎵功率器件也已經在衛星電源上得到應用，目前包括GaN Systems、SSDI、CAES、EPC、Microchip、Wolfspeed等公司都推出了航天級GaN FET產品，應用在DC-DC、降壓轉換器、電機驅動器、功率控制器等領域。

而隨著未來商業航天的興起，對于載荷成本和發射成本持續壓縮的要求之下，氮化鎵在航天領域的需求或許將會成為氮化鎵市場新的高速增長點。