國(guó)外軍事和宇航應(yīng)用寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展

用微電子器件是一些需要在惡劣環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作而無(wú)須維修的器件,對(duì)性能、可靠性、重量、體積和能耗等方面都有著極其苛刻的要求,其開(kāi)發(fā)制造成本也較高。通常,宇航及其他軍用微電子系統(tǒng)要求在長(zhǎng)期存放過(guò)程中性能不退化,如導(dǎo)彈要求存放10至20年仍能滿足安全和可靠性的要求;空間應(yīng)用系統(tǒng)要求穩(wěn)定的可靠性、極小的體積并能完成嚴(yán)格的檢測(cè)和試驗(yàn);航空電子系統(tǒng)要經(jīng)受短時(shí)間內(nèi)溫度、濕度和環(huán)境壓力的極度變化;此外,這些電子系統(tǒng)還必須具有極強(qiáng)的抗輻射能力,且功能和壽命必須達(dá)到20至30年以上。

采用傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料制作的微電子器件已無(wú)法滿足新一代宇航及軍事系統(tǒng)裝備對(duì)體積、重量和可靠性的更高要求,因而未來(lái)武器裝備和宇航系統(tǒng)必須采用最先進(jìn)的微電子器件才能使整體工作性能與可靠性得到最大限度地提高。業(yè)已證實(shí),被譽(yù)為第三代半導(dǎo)體材料的SiC、GaN、金剛石和AlN等完全符合下一代宇航及軍事系統(tǒng)裝備應(yīng)用的各項(xiàng)要求。在已開(kāi)發(fā)的寬帶隙半導(dǎo)體中, SiC是技術(shù)最為成熟的一種材料。SiC器件能耐500℃以上的高溫、 1 200 V以上的電壓,具有功率大、電流強(qiáng)、功耗低、頻率高的特點(diǎn),適合大型牽引電氣設(shè)備系統(tǒng)、火車、汽車的電氣設(shè)備、軍用武器裝備系統(tǒng)、宇趨勢(shì)與展望導(dǎo)彈、火箭電氣設(shè)備系統(tǒng)等應(yīng)用,其耐惡劣環(huán)境的性能是Si和GaAs等傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件無(wú)法比擬的。另外,由于SiC的帶隙寬度很大,故還可作為可見(jiàn)光短波長(zhǎng)范圍的發(fā)光材料。 GaN器件是寬帶隙半導(dǎo)體研究的一大熱點(diǎn)。

GaN的寬帶隙特點(diǎn)保證了它在高溫、大功率以及紫外光探測(cè)器等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。它具有可靠性高、效率高、速響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、全固態(tài)化、體積小的優(yōu)點(diǎn),將對(duì)宇宙飛船、火箭羽煙探測(cè)、大氣探測(cè)、火災(zāi)控制等領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。寬帶隙半導(dǎo)體器件在宇航及軍事領(lǐng)域應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)當(dāng)前的軍用多功能系統(tǒng)通常采用兩種基本設(shè)計(jì)模式:單信號(hào)發(fā)送和同步信號(hào)發(fā)送,同步信號(hào)發(fā)送技術(shù)是在要求增加功能的驅(qū)動(dòng)下發(fā)展起來(lái)的,在雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用中顯得更加突出。雷達(dá)系統(tǒng)通常需要從一個(gè)位置上對(duì)空間做大量的搜尋,同時(shí)還需要進(jìn)行武器制導(dǎo)、信號(hào)通信和目標(biāo)跟蹤。接收多個(gè)同步信號(hào)常用的方法是對(duì)增量真實(shí)時(shí)間延遲進(jìn)行波束控制,在完成過(guò)程中要采用開(kāi)關(guān)微波傳輸線、光纖, 同時(shí)還要對(duì)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行數(shù)字處理。

采用寬帶隙半導(dǎo)體的低噪聲放大器(LNA)將以其兩大突出優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于該領(lǐng)域。首先,寬帶隙半導(dǎo)體具有較高的熱導(dǎo)率和介電強(qiáng)度,因此采用寬帶隙半導(dǎo)體的LNA將具有優(yōu)越的性能,因而可適當(dāng)放寬對(duì)前端二極管限幅器的要求,提高限幅器的電壓, 且損耗很低,尤其是在極大帶寬系統(tǒng)應(yīng)用時(shí),這些優(yōu)點(diǎn)則會(huì)更加明顯。從系統(tǒng)應(yīng)用的角度來(lái)看,采用寬帶隙半導(dǎo)體器件的LNA和限幅器,其噪聲系數(shù)要比采用GaAs器件低得多。早在2000年科研人員就已證實(shí), X波段寬帶隙LNA的噪聲系數(shù)為