国外军事和宇航应用宽带隙半导体技术的发展

用微电子器件是一些需要在恶劣环境中长时间持续工作而无须维修的器件,对性能、可靠性、重量、体积和能耗等方面都有着极其苛刻的要求,其开发制造成本也较高。通常,宇航及其他军用微电子系统要求在长期存放过程中性能不退化,如导弹要求存放10至20年仍能满足安全和可靠性的要求;空间应用系统要求稳定的可靠性、极小的体积并能完成严格的检测和试验;航空电子系统要经受短时间内温度、湿度和环境压力的极度变化;此外,这些电子系统还必须具有极强的抗辐射能力,且功能和寿命必须达到20至30年以上。

采用传统半导体材料制作的微电子器件已无法满足新一代宇航及军事系统装备对体积、重量和可靠性的更高要求,因而未来武器装备和宇航系统必须采用最先进的微电子器件才能使整体工作性能与可靠性得到最大限度地提高。业已证实,被誉为第三代半导体材料的SiC、GaN、金刚石和AlN等完全符合下一代宇航及军事系统装备应用的各项要求。在已开发的宽带隙半导体中, SiC是技术最为成熟的一种材料。SiC器件能耐500℃以上的高温、 1 200 V以上的电压,具有功率大、电流强、功耗低、频率高的特点,适合大型牵引电气设备系统、火车、汽车的电气设备、军用武器装备系统、宇趋势与展望导弹、火箭电气设备系统等应用,其耐恶劣环境的性能是Si和GaAs等传统半导体器件无法比拟的。另外,由于SiC的带隙宽度很大,故还可作为可见光短波长范围的发光材料。 GaN器件是宽带隙半导体研究的一大热点。

GaN的宽带隙特点保证了它在高温、大功率以及紫外光探测器等领域的广阔应用前景。它具有可靠性高、效率高、速响应快、寿命长、全固态化、体积小的优点,将对宇宙飞船、火箭羽烟探测、大气探测、火灾控制等领域产生重大影响。宽带隙半导体器件在宇航及军事领域应用中的优势当前的军用多功能系统通常采用两种基本设计模式:单信号发送和同步信号发送,同步信号发送技术是在要求增加功能的驱动下发展起来的,在雷达系统应用中显得更加突出。雷达系统通常需要从一个位置上对空间做大量的搜寻,同时还需要进行武器制导、信号通信和目标跟踪。接收多个同步信号常用的方法是对增量真实时间延迟进行波束控制,在完成过程中要采用开关微波传输线、光纤, 同时还要对模拟-数字转换器输出进行数字处理。

采用宽带隙半导体的低噪声放大器(LNA)将以其两大突出优点应用于该领域。首先,宽带隙半导体具有较高的热导率和介电强度,因此采用宽带隙半导体的LNA将具有优越的性能,因而可适当放宽对前端二极管限幅器的要求,提高限幅器的电压, 且损耗很低,尤其是在极大带宽系统应用时,这些优点则会更加明显。从系统应用的角度来看,采用宽带隙半导体器件的LNA和限幅器,其噪声系数要比采用GaAs器件低得多。早在2000年科研人员就已证实, X波段宽带隙LNA的噪声系数为