寬禁帶半導體在雷達中的應用

金海薇，秦　利，張　蘭

(中國國防科技信息中心，北京 100142)

?

寬禁帶半導體在雷達中的應用

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體材料，與常規(guī)半導體硅或砷化鎵相比，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，是大功率、高溫、高頻、抗輻照應用場合下極為理想的半導體材料。介紹了寬禁帶半導體技術在雷達中的應用及其在美國的發(fā)展，闡述了寬禁帶半導體技術與雷達技術相結(jié)合帶來的技術進步，及其對下一代雷達技術的影響。

關鍵詞：寬禁帶半導體；雷達；碳化硅

0引言

半導體技術在各種軍事領域中的廣泛應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。軍用電子裝備需要工作在高溫、高輻射等惡劣環(huán)境，可探測出遠距離的小目標，能實時處理高速傳感數(shù)據(jù)，而工作頻帶超出普通的商用范圍。于是，軍用電子裝備對半導體元器件的要求遠遠高于普通的電子設備，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)半導體技術制作的電子系統(tǒng)已無法滿足下一代軍事應用對體積、質(zhì)量和可靠性的更高要求。寬禁帶半導體器件具有高頻、大功率、高溫和抗惡劣環(huán)境應用潛力，使其為解決這些問題提供了方法。

1寬禁帶半導體

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

美國是最早啟動寬禁帶半導體技術研究的國家，許多知名大學和科研機構(gòu)，如雷神(Raytheon)、TriQuint半導體公司、英國BAE系統(tǒng)公司、麻省理工學院(MIT)和科銳公司(Cree)等，均在該項技術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施了多項寬禁帶半導體器件與電路技術發(fā)展計劃。DARPA以提升軍用雷達、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，解決了寬禁帶技術當前面臨的多項技術瓶頸。

迄今投資力度最大、參與機構(gòu)最多、成果最突出、影響最廣的要算DARPA在2002年啟動的歷時8年時間，分3個階段完成的寬禁帶半導體技術發(fā)展計劃。第1階段為2002—2004年，著重材料開發(fā)，實現(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其應用。該項計劃耗資數(shù)億美元。

借助DARPA的支持，雷神公司在寬禁帶技術領域處于世界先進水平，如制造出第1個GaN MMIC；雷聲和Cree公司聯(lián)合研究小組負責“X波段收發(fā)模塊”項目的實施，擬研制X波段HEMT、MMIC、T/R組件和一部子陣級的導航雷達。寬禁帶半導體項目第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)改進項目受到國防部長辦公室的獎賞。通過此項目雷神公司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”防空反導雷達系統(tǒng)上成功演示了有源電掃描陣列(AESA)和氮化鎵(GaN)技術原型。此技術能夠在未來實現(xiàn)360°感知覆蓋，還將擴展防御范圍，并減少探測、辨別和消除威脅的時間?；贕aN的AESA技術將進一步改善“愛國者”雷達的可靠性，并降低壽命周期成本。

TriQuint半導體公司是GaN HEMT研發(fā)界的領導廠商，在GaN替代型襯底開發(fā)上擁有最高的技術水平，S波段和X波段GaN MMIC已獲得極佳的系統(tǒng)應用性能。TriQuint公司負責“寬帶大功率放大器”項目的實施。寬禁帶半導體項目第2階段與雷聲和Cree公司團隊的任務相同，研制X波段GaN HEMT器件，但不同的是它為計劃第3階段最終寬帶大功率放大器的研制目標做鋪墊。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體第3階段項目，2014年5月所研制器件在200℃環(huán)境中平均故障時間大于106 h，順利完成第3階段任務，在此基礎上發(fā)布了多款可用于雷達的寬禁帶器件。

美國空軍F-35 Lighting II新型戰(zhàn)機(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)應用中，功率器件的效率越高系統(tǒng)的優(yōu)點就會越加突出，減少碳排放就是明顯的優(yōu)點之一。另外依據(jù)應用領域的不同它還會帶來諸多其他優(yōu)勢。如果混合動力機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源動力，從而可更加有效地驅(qū)動發(fā)動機并降低能耗。而且，電子部件的散熱量也會降低，從而使冷卻系統(tǒng)的體積更小、質(zhì)量更輕、復雜程度更低，最終降低生產(chǎn)成本，節(jié)約封裝空間，達到節(jié)約能源的目的。改進器件的效率還可能為軍用飛機和替代能源系統(tǒng)帶來一系列的優(yōu)點，例如，提高效率可以減輕質(zhì)量，降低冷卻系統(tǒng)的要求，從而可以延長和擴大飛機的飛行距離和范圍。

圖1　F-35戰(zhàn)機的雷達和功率部件

2雷達與寬禁帶半導體

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

寬禁帶半導體技術的功率器件在雷達中應用，主要能解決以下幾個問題：

1)顯著提高雷達發(fā)射機的輸出功率和功率密度。雷達輻射功率一直都是衡量雷達性能的一項重要指標，或者說雷達性能從根本上決定于雷達的功率孔徑積(發(fā)射機平均功率和天線孔徑面積的乘積)?，F(xiàn)代雷達不僅要觀察原有的常規(guī)目標，而且需要觀察諸如隱身飛機、導彈、無人機、隱身艦船等低雷達截面積目標。對于有源相控陣雷達，可以通過擴大天線陣面尺寸、增加T/R組件數(shù)量來實現(xiàn)，但對于一些天線孔徑嚴格受限制的雷達，如機載預警雷達、機載火控雷達、無人機載雷達、直升機載雷達和彈載雷達等，只能通過提高雷達發(fā)射信號的輸出功率和功率密度的方法觀測到目標。因此，對于雷達發(fā)射機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。提高雷達的工作帶寬和瞬時信號帶寬，對實現(xiàn)低截獲概率雷達，提高雷達發(fā)射信號的反偵察能力和抗干擾能力，實現(xiàn)雷達高分辨率測量與目標成像識別具有重要意義。同時，現(xiàn)代雷達將向多功能一體化方向發(fā)展，雷達不僅需要具有預警探測功能，還應具有電子對抗、通信、導航等功能，因此需要雷達發(fā)射機提高工作頻帶寬度，具有多頻段工作能力。

3)提高發(fā)射信號的線性度。雷達發(fā)射多波束的工作方式，要求發(fā)射輸出信號具有一定的線性度。同時，發(fā)射機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工作在偵察、電子對抗、通信、導航等不同狀態(tài)的要求。另外，發(fā)射機具有線性工作能力，可以根據(jù)需要進行幅度控制，有助于有源相控陣雷達采用幅度加權的方法實現(xiàn)發(fā)射低副瓣。

4)提高發(fā)射機的環(huán)境適應性。功率晶體管是全固態(tài)發(fā)射機的核心器件，目前全固態(tài)發(fā)射機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，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)溫并有良好熱傳導率的新型功率晶體管是提高發(fā)射機的環(huán)境適應性、解決系統(tǒng)可靠性問題的有效途徑。第1代、第2代半導體功率器件經(jīng)過長期的發(fā)展，由于其本身半導體材料特性的限制，器件性能不可能在現(xiàn)有基礎上再有質(zhì)的提升。因此，雷達研制人員對于寬禁帶半導體功率器件寄予厚望，希望上述現(xiàn)代雷達對大功率發(fā)射機的新要求，能夠推動寬禁帶半導體功率器件的進一步發(fā)展，最終帶動雷達等裝備性能的提高。

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

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

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

2)對性能指標方面的要求，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

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

參考文獻：

[1]Chow TP. High-voltage SiC and GaN power devices[J]. Microelectronic Engineering, 2006, 83(1): 112-122.

[2]Mitani E,et al. An 800W AlGaN/GaN HEMT for S-band High-Power Application[C]∥2007 Inter. Confer. Compound Semiconductor Mantech,2007:213.

[3]Mike C. Hetero structuring for high speed, power and light[J]. Semiconductor Today, 2009, 4(2): 73-78.

[4]Milligan JW, Henning J, Allen ST, et al. SiC MESFET and MMIC technology transition to production[C]∥GaAs Mantech Conference Digest of Papers, New Orleans, USA ,2005.

[5]Jones R, Kopp B.Duplexer Considerational for X-band T/R Modules[J] .Microwave Journal,2000(5): 348-353.

[6]Chen WJ, Wong KY, Chen KJ. Single-chip boost converter using monolithically integrated AlGaN/GaN lateral field-effect rectifier and normally-off HEMT[J]. IEEE Electron Device Letters, 2009, 30(5):430-432.

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：TN974

文獻標識碼：A

作者簡介：金海薇(1979-)，女，博士，主要從事電子對抗情報研究。

收稿日期：2015-05-26；2015-10-23修回。