金海薇，秦　利，張　蘭

(中國國防科技信息中心，北京 100142)

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寬禁帶半導(dǎo)體在雷達(dá)中的應(yīng)用

金海薇，秦利，張?zhí)m

(中國國防科技信息中心，北京 100142)

摘要：以碳化硅和氮化鎵為典型代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，與常規(guī)半導(dǎo)體硅或砷化鎵相比，具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場等突出優(yōu)點(diǎn)，是大功率、高溫、高頻、抗輻照應(yīng)用場合下極為理想的半導(dǎo)體材料。介紹了寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用及其在美國的發(fā)展，闡述了寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合帶來的技術(shù)進(jìn)步，及其對(duì)下一代雷達(dá)技術(shù)的影響。

關(guān)鍵詞：寬禁帶半導(dǎo)體；雷達(dá)；碳化硅

0引言

半導(dǎo)體技術(shù)在各種軍事領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用打破了武器裝備唯大、唯多和大規(guī)模破壞的傳統(tǒng)觀念，使武器系統(tǒng)變得體積更小、質(zhì)量更輕、功耗更低、可靠性更高、作戰(zhàn)效能和威力更強(qiáng)。軍用電子裝備需要工作在高溫、高輻射等惡劣環(huán)境，可探測出遠(yuǎn)距離的小目標(biāo)，能實(shí)時(shí)處理高速傳感數(shù)據(jù)，而工作頻帶超出普通的商用范圍。于是，軍用電子裝備對(duì)半導(dǎo)體元器件的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的電子設(shè)備，元器件的安全性和可靠性必須更高。在此值得指出的是，采用傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)制作的電子系統(tǒng)已無法滿足下一代軍事應(yīng)用對(duì)體積、質(zhì)量和可靠性的更高要求。寬禁帶半導(dǎo)體器件具有高頻、大功率、高溫和抗惡劣環(huán)境應(yīng)用潛力，使其為解決這些問題提供了方法。

1寬禁帶半導(dǎo)體

禁帶寬度大于2.2eV的半導(dǎo)體被定義為寬禁帶半導(dǎo)體，寬禁帶半導(dǎo)體材料典型代表有碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)，這些半導(dǎo)體材料也稱為第三代半導(dǎo)體材料。與以硅(Si)和砷化鎵(GaAs)為代表的第二代半導(dǎo)體相比，寬禁帶半導(dǎo)體具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場等突出優(yōu)點(diǎn)。

美國是最早啟動(dòng)寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)研究的國家，許多知名大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)，如雷神(Raytheon)、TriQuint半導(dǎo)體公司、英國BAE系統(tǒng)公司、麻省理工學(xué)院(MIT)和科銳公司(Cree)等，均在該項(xiàng)技術(shù)上投入了大量的人力和物力，其研究成果也最為突出。DARPA不惜投入巨額資金實(shí)施了多項(xiàng)寬禁帶半導(dǎo)體器件與電路技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。DARPA以提升軍用雷達(dá)、潛艇和其他各種惡劣環(huán)境工作的系統(tǒng)裝備的性能和可靠性為目標(biāo)，解決了寬禁帶技術(shù)當(dāng)前面臨的多項(xiàng)技術(shù)瓶頸。

迄今投資力度最大、參與機(jī)構(gòu)最多、成果最突出、影響最廣的要算DARPA在2002年啟動(dòng)的歷時(shí)8年時(shí)間，分3個(gè)階段完成的寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。第1階段為2002—2004年，著重材料開發(fā)，實(shí)現(xiàn)SiC襯底材料商品化，現(xiàn)在已經(jīng)完成；第2階段為2005—2007年，著重器件開發(fā)，利用寬禁帶半導(dǎo)體材料制作并演示射頻功率放大器，提高其功率附加率、帶寬及功率密度，最終實(shí)現(xiàn)GaN基高可靠、高性能微波與毫米波器件的大批量生產(chǎn)；第3階段為2008—2009年，開發(fā)GaN基高可靠、高性能MMIC(單片微波集成電路)并在若干模塊中試驗(yàn)其應(yīng)用。該項(xiàng)計(jì)劃耗資數(shù)億美元。

借助DARPA的支持，雷神公司在寬禁帶技術(shù)領(lǐng)域處于世界先進(jìn)水平，如制造出第1個(gè)GaN MMIC；雷聲和Cree公司聯(lián)合研究小組負(fù)責(zé)“X波段收發(fā)模塊”項(xiàng)目的實(shí)施，擬研制X波段HEMT、MMIC、T/R組件和一部子陣級(jí)的導(dǎo)航雷達(dá)。寬禁帶半導(dǎo)體項(xiàng)目第2階段，雷聲和Cree 公司聯(lián)合研究小組完成的GaN HEMT器件性能為：工作頻率8～12 GHz，漏極偏壓40 V，功率密度6.5 W/mm，功率附加效率62.1 %，功率增益12.1 dB，長期穩(wěn)定性1×107h。2013年因順利完成“國防生產(chǎn)法案第三法令”中的氮化鎵生產(chǎn)改進(jìn)項(xiàng)目受到國防部長辦公室的獎(jiǎng)賞。通過此項(xiàng)目雷神公司GaN的生產(chǎn)已提高了至少300%，單片微波集成電路的成本至少改善了75%。2014年，雷神公司在美國“愛國者”防空反導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)上成功演示了有源電掃描陣列(AESA)和氮化鎵(GaN)技術(shù)原型。此技術(shù)能夠在未來實(shí)現(xiàn)360°感知覆蓋，還將擴(kuò)展防御范圍，并減少探測、辨別和消除威脅的時(shí)間?；贕aN的AESA技術(shù)將進(jìn)一步改善“愛國者”雷達(dá)的可靠性，并降低壽命周期成本。

TriQuint半導(dǎo)體公司是GaN HEMT研發(fā)界的領(lǐng)導(dǎo)廠商，在GaN替代型襯底開發(fā)上擁有最高的技術(shù)水平，S波段和X波段GaN MMIC已獲得極佳的系統(tǒng)應(yīng)用性能。TriQuint公司負(fù)責(zé)“寬帶大功率放大器”項(xiàng)目的實(shí)施。寬禁帶半導(dǎo)體項(xiàng)目第2階段與雷聲和Cree公司團(tuán)隊(duì)的任務(wù)相同，研制X波段GaN HEMT器件，但不同的是它為計(jì)劃第3階段最終寬帶大功率放大器的研制目標(biāo)做鋪墊。第2階段TriQuint公司完成的GaN HEMT器件性能為：工作頻率8～12GHz，漏極偏壓40 V，功率密度 6.8 W/mm，功率附加效率62%，功率增益12.3dB，長期穩(wěn)定性1.5×106h。2010年開始參與寬禁帶半導(dǎo)體第3階段項(xiàng)目，2014年5月所研制器件在200℃環(huán)境中平均故障時(shí)間大于106 h，順利完成第3階段任務(wù)，在此基礎(chǔ)上發(fā)布了多款可用于雷達(dá)的寬禁帶器件。

美國空軍F-35 Lighting II新型戰(zhàn)機(jī)(如圖1所示)將大量采用Cree公司開發(fā)的SiC功率模塊。在大功率系統(tǒng)應(yīng)用中，功率器件的效率越高系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)就會(huì)越加突出，減少碳排放就是明顯的優(yōu)點(diǎn)之一。另外依據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同它還會(huì)帶來諸多其他優(yōu)勢。如果混合動(dòng)力機(jī)車采用高效寬帶隙功率電子器件，即可更加高效地將DC電池轉(zhuǎn)換成AC源動(dòng)力，從而可更加有效地驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并降低能耗。而且，電子部件的散熱量也會(huì)降低，從而使冷卻系統(tǒng)的體積更小、質(zhì)量更輕、復(fù)雜程度更低，最終降低生產(chǎn)成本，節(jié)約封裝空間，達(dá)到節(jié)約能源的目的。改進(jìn)器件的效率還可能為軍用飛機(jī)和替代能源系統(tǒng)帶來一系列的優(yōu)點(diǎn)，例如，提高效率可以減輕質(zhì)量，降低冷卻系統(tǒng)的要求，從而可以延長和擴(kuò)大飛機(jī)的飛行距離和范圍。

圖1　F-35戰(zhàn)機(jī)的雷達(dá)和功率部件

2雷達(dá)與寬禁帶半導(dǎo)體

寬禁帶半導(dǎo)體功率器件固有的寬禁帶、高擊穿場強(qiáng)和良好的熱穩(wěn)定性等一些特殊性質(zhì)和潛在應(yīng)用前景使它們備受關(guān)注，利用寬禁帶半導(dǎo)體材料制成的功率器件非常適合應(yīng)用在雷達(dá)中，并將對(duì)其系統(tǒng)性能帶來深遠(yuǎn)的影響。

寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的功率器件在雷達(dá)中應(yīng)用，主要能解決以下幾個(gè)問題：

1)顯著提高雷達(dá)發(fā)射機(jī)的輸出功率和功率密度。雷達(dá)輻射功率一直都是衡量雷達(dá)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，或者說雷達(dá)性能從根本上決定于雷達(dá)的功率孔徑積(發(fā)射機(jī)平均功率和天線孔徑面積的乘積)?，F(xiàn)代雷達(dá)不僅要觀察原有的常規(guī)目標(biāo)，而且需要觀察諸如隱身飛機(jī)、導(dǎo)彈、無人機(jī)、隱身艦船等低雷達(dá)截面積目標(biāo)。對(duì)于有源相控陣?yán)走_(dá)，可以通過擴(kuò)大天線陣面尺寸、增加T/R組件數(shù)量來實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于一些天線孔徑嚴(yán)格受限制的雷達(dá)，如機(jī)載預(yù)警雷達(dá)、機(jī)載火控雷達(dá)、無人機(jī)載雷達(dá)、直升機(jī)載雷達(dá)和彈載雷達(dá)等，只能通過提高雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的輸出功率和功率密度的方法觀測到目標(biāo)。因此，對(duì)于雷達(dá)發(fā)射機(jī)的輸出功率以及功率密度提出了很高的要求。

2)提高工作頻率和工作頻帶寬度。提高雷達(dá)的工作帶寬和瞬時(shí)信號(hào)帶寬，對(duì)實(shí)現(xiàn)低截獲概率雷達(dá)，提高雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的反偵察能力和抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)高分辨率測量與目標(biāo)成像識(shí)別具有重要意義。同時(shí)，現(xiàn)代雷達(dá)將向多功能一體化方向發(fā)展，雷達(dá)不僅需要具有預(yù)警探測功能，還應(yīng)具有電子對(duì)抗、通信、導(dǎo)航等功能，因此需要雷達(dá)發(fā)射機(jī)提高工作頻帶寬度，具有多頻段工作能力。

3)提高發(fā)射信號(hào)的線性度。雷達(dá)發(fā)射多波束的工作方式，要求發(fā)射輸出信號(hào)具有一定的線性度。同時(shí)，發(fā)射機(jī)既可工作在線性狀態(tài)，又可工作在飽和狀態(tài)，可以滿足多功能雷達(dá)工作在偵察、電子對(duì)抗、通信、導(dǎo)航等不同狀態(tài)的要求。另外，發(fā)射機(jī)具有線性工作能力，可以根據(jù)需要進(jìn)行幅度控制，有助于有源相控陣?yán)走_(dá)采用幅度加權(quán)的方法實(shí)現(xiàn)發(fā)射低副瓣。

4)提高發(fā)射機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性。功率晶體管是全固態(tài)發(fā)射機(jī)的核心器件，目前全固態(tài)發(fā)射機(jī)的可靠性問題主要表現(xiàn)為晶體管的失效。功率晶體管的壽命與其結(jié)溫密切相關(guān)，結(jié)溫越高，壽命越低。在現(xiàn)有條件下，常用Si雙極型功率晶體管的結(jié)溫達(dá)到降額要求的臨界狀態(tài)，因此選用能夠承受更高結(jié)溫并有良好熱傳導(dǎo)率的新型功率晶體管是提高發(fā)射機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性、解決系統(tǒng)可靠性問題的有效途徑。第1代、第2代半導(dǎo)體功率器件經(jīng)過長期的發(fā)展，由于其本身半導(dǎo)體材料特性的限制，器件性能不可能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再有質(zhì)的提升。因此，雷達(dá)研制人員對(duì)于寬禁帶半導(dǎo)體功率器件寄予厚望，希望上述現(xiàn)代雷達(dá)對(duì)大功率發(fā)射機(jī)的新要求，能夠推動(dòng)寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的進(jìn)一步發(fā)展，最終帶動(dòng)雷達(dá)等裝備性能的提高。

新一代雷達(dá)及其電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是實(shí)現(xiàn)偵察、電子對(duì)抗、通信、導(dǎo)航定位等設(shè)計(jì)為一體的綜合化電子系統(tǒng)，這不僅要求提高雷達(dá)發(fā)射機(jī)的輸出功率和功率密度、工作頻帶寬度，而且要求發(fā)射機(jī)具備多波段一體化的工作能力。寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的輸入、輸出阻抗隨頻率變化小，且特性阻抗為高阻擾，所以比較容易實(shí)現(xiàn)寬帶電路匹配，從而容易提高放大器工作帶寬和瞬時(shí)帶寬。

雖然寬禁帶功率器件的優(yōu)勢非常明顯，但就目前而言，距將其應(yīng)用在新一代雷達(dá)上的目標(biāo)還存在一定差距，即要在提高輸出功率、功率密度、工作頻率、瞬時(shí)工作帶寬、工作電壓和增加品種的同時(shí)，還要適應(yīng)新一代雷達(dá)對(duì)其的重要要求：

1)可靠性指標(biāo)要求，要實(shí)現(xiàn)寬禁帶功率器件的工程化和大批量應(yīng)用，其壽命應(yīng)在百萬小時(shí)以上，而目前在低頻端器件也只有十萬小時(shí)量級(jí)，而X 波段以上還沒有實(shí)現(xiàn)工程化，尤其是GaN功率器件差距更大；

2)對(duì)性能指標(biāo)方面的要求，寬禁帶功率器件需有良好的飽和工作能力、諧波抑制、相位一致性的要求以及相位噪聲和頻譜純度、工作頻率和帶寬的要求。

3結(jié)束語

寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是新一代半導(dǎo)體材料、器件、電路、工藝發(fā)展的重點(diǎn)。許多寬禁帶半導(dǎo)體器件與電路都是針對(duì)新一代雷達(dá)的需求而開發(fā)的。目前要充分發(fā)揮寬禁帶半導(dǎo)體功率器件的優(yōu)良性能和達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)還有很長的路要走，相信寬禁帶半導(dǎo)體功率器件在不久的將來會(huì)成為功率器件的主流，會(huì)最大程度地滿足現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)新型半導(dǎo)體功率器件的需求?！?/p>

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Application of wide band gap semiconductors in radar

Jin Haiwei, Qin Li, Zhang Lan

(China Defence Science and Technology Information Center, Beijing 100142, China)

Abstract：Silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) are typical representative of the wide band-gap semiconductor material. Compared with the conventional semiconductor silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs), wide band-gap semiconductor has the wide band gap, high saturated drift velocity, high critical breakdown field and other advantages.It is highly desirable semiconductor material applied under the case of high-power, high-temperature, high-frequency and anti-radiation environment. The application and the technology development in the United States of wide band-gap semiconductor are introduced. The wide band-gap semiconductor technology and radar technology combined with the technology progress are summarized, and its influence on the next generation of radar technology is also discussed.

Key words：wide band gap semiconductor; radar; SiC

中圖分類號(hào)：TN974

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：金海薇(1979-)，女，博士，主要從事電子對(duì)抗情報(bào)研究。

收稿日期：2015-05-26；2015-10-23修回。