國外軍事和宇航應用寬帶隙半導體技術(shù)的發(fā)展

        用微電子器件是一些需要在惡劣環(huán)境中長(cháng)時(shí)間持續工作而無(wú)須維修的器件,對性能、可靠性、重量、體積和能耗等方面都有著(zhù)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要求在長(cháng)期存放過(guò)程中性能不退化,如導彈要求存放10至20年仍能滿(mǎn)足安全和可靠性的要求;空間應用系統要求穩定的可靠性、極小的體積并能完成嚴格的檢測和試驗;航空電子系統要經(jīng)受短時(shí)間內溫度、濕度和環(huán)境壓力的極度變化;此外,這些電子系統還必須具有極強的抗輻射能力,且功能和壽命必須達到20至30年以上。

　　采用傳統半導體材料制作的微電子器件已無(wú)法滿(mǎn)足新一代宇航及軍事系統裝備對體積、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裝備應用的各項要求。在已開(kāi)發(fā)的寬帶隙半導體中, 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、功耗低、頻率高的特點(diǎn),適合大型牽引電氣設備系統、火車(chē)、汽車(chē)的電氣設備、軍用武器裝備系統、宇趨勢與展望導彈、火箭電氣設備系統等應用,其耐惡劣環(huán)境的性能是Si和GaAs等傳統半導體器件無(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(cháng)范圍的發(fā)光材料。 GaN器件是寬帶隙半導體研究的一大熱點(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器等領(lǐng)域的廣闊應用前景。它具有可靠性高、效率高、速響應快、壽命長(cháng)、全固態(tài)化、體積小的優(yōu)點(diǎn),將對宇宙飛船、火箭羽煙探測、大氣探測、火災控制等領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。寬帶隙半導體器件在宇航及軍事領(lǐng)域應用中的優(yōu)勢當前的軍用多功能系統通常采用兩種基本設計模式:單信號發(fā)送和同步信號發(fā)送,同步信號發(fā)送技術(shù)是在要求增加功能的驅動(dòng)下發(fā)展起來(lái)的,在雷達系統應用中顯得更加突出。雷達系統通常需要從一個(gè)位置上對空間做大量的搜尋,同時(shí)還需要進(jìn)行武器制導、信號通信和目標跟蹤。接收多個(gè)同步信號常用的方法是對增量真實(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(xiàn)、光纖, 同時(shí)還要對模擬-數字轉換器輸出進(jìn)行數字處理。

　　采用寬帶隙半導體的低噪聲放大器(LNA)將以其兩大突出優(yōu)點(diǎn)應用于該領(lǐng)域。首先,寬帶隙半導體具有較高的熱導率和介電強度,因此采用寬帶隙半導體的LNA將具有優(yōu)越的性能,因而可適當放寬對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應用時(shí),這些優(yōu)點(diǎn)則會(huì )更加明顯。從系統應用的角度來(lái)看,采用寬帶隙半導體器件的LNA和限幅器,其噪聲系數要比采用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的噪聲系數為