宽禁带半导体在雷达中的应用

金海薇，秦　利，张　兰

(中国国防科技信息中心，北京 100142)



宽禁带半导体在雷达中的应用

金海薇，秦利，张兰

(中国国防科技信息中心，北京 100142)

摘要：以碳化硅和氮化镓为典型代表的宽禁带半导体材料，与常规半导体硅或砷化镓相比，具有宽带隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等突出优点，是大功率、高温、高频、抗辐照应用场合下极为理想的半导体材料。介绍了宽禁带半导体技术在雷达中的应用及其在美国的发展，阐述了宽禁带半导体技术与雷达技术相结合带来的技术进步，及其对下一代雷达技术的影响。

关键词：宽禁带半导体；雷达；碳化硅

0引言

半导体技术在各种军事领域中的广泛应用打破了武器装备唯大、唯多和大规模破坏的传统观念，使武器系统变得体积更小、质量更轻、功耗更低、可靠性更高、作战效能和威力更强。军用电子装备需要工作在高温、高辐射等恶劣环境，可探测出远距离的小目标，能实时处理高速传感数据，而工作频带超出普通的商用范围。于是，军用电子装备对半导体元器件的要求远远高于普通的电子设备，元器件的安全性和可靠性必须更高。在此值得指出的是，采用传统半导体技术制作的电子系统已无法满足下一代军事应用对体积、质量和可靠性的更高要求。宽禁带半导体器件具有高频、大功率、高温和抗恶劣环境应用潜力，使其为解决这些问题提供了方法。

1宽禁带半导体

禁带宽度大于2.2eV的半导体被定义为宽禁带半导体，宽禁带半导体材料典型代表有碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，这些半导体材料也称为第三代半导体材料。与以硅(Si)和砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体相比，宽禁带半导体具有宽带隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等突出优点。

美国是最早启动宽禁带半导体技术研究的国家，许多知名大学和科研机构，如雷神(Raytheon)、TriQuint半导体公司、英国BAE系统公司、麻省理工学院(MIT)和科锐公司(Cree)等，均在该项技术上投入了大量的人力和物力，其研究成果也最为突出。DARPA不惜投入巨额资金实施了多项宽禁带半导体器件与电路技术发展计划。DARPA以提升军用雷达、潜艇和其他各种恶劣环境工作的系统装备的性能和可靠性为目标，解决了宽禁带技术当前面临的多项技术瓶颈。

迄今投资力度最大、参与机构最多、成果最突出、影响最广的要算DARPA在2002年启动的历时8年时间，分3个阶段完成的宽禁带半导体技术发展计划。第1阶段为2002—2004年，着重材料开发，实现SiC衬底材料商品化，现在已经完成；第2阶段为2005—2007年，着重器件开发，利用宽禁带半导体材料制作并演示射频功率放大器，提高其功率附加率、带宽及功率密度，最终实现GaN基高可靠、高性能微波与毫米波器件的大批量生产；第3阶段为2008—2009年，开发GaN基高可靠、高性能MMIC(单片微波集成电路)并在若干模块中试验其应用。该项计划耗资数亿美元。

借助DARPA的支持，雷神公司在宽禁带技术领域处于世界先进水平，如制造出第1个GaN MMIC；雷声和Cree公司联合研究小组负责“X波段收发模块”项目的实施，拟研制X波段HEMT、MMIC、T/R组件和一部子阵级的导航雷达。宽禁带半导体项目第2阶段，雷声和Cree 公司联合研究小组完成的GaN HEMT器件性能为：工作频率8～12 GHz，漏极偏压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，长期稳定性1×107h。2013年因顺利完成“国防生产法案第三法令”中的氮化镓生产改进项目受到国防部长办公室的奖赏。通过此项目雷神公司GaN的生产已提高了至少300%，单片微波集成电路的成本至少改善了75%。2014年，雷神公司在美国“爱国者”防空反导雷达系统上成功演示了有源电扫描阵列(AESA)和氮化镓(GaN)技术原型。此技术能够在未来实现360°感知覆盖，还将扩展防御范围，并减少探测、辨别和消除威胁的时间。基于GaN的AESA技术将进一步改善“爱国者”雷达的可靠性，并降低寿命周期成本。

TriQuint半导体公司是GaN HEMT研发界的领导厂商，在GaN替代型衬底开发上拥有最高的技术水平，S波段和X波段GaN MMIC已获得极佳的系统应用性能。TriQuint公司负责“宽带大功率放大器”项目的实施。宽禁带半导体项目第2阶段与雷声和Cree公司团队的任务相同，研制X波段GaN HEMT器件，但不同的是它为计划第3阶段最终宽带大功率放大器的研制目标做铺垫。第2阶段TriQuint公司完成的GaN HEMT器件性能为：工作频率8～12GHz，漏极偏压40 V，功率密度 6.8 W/mm，功率附加效率62%，功率增益12.3dB，长期稳定性1.5×106h。2010年开始参与宽禁带半导体第3阶段项目，2014年5月所研制器件在200℃环境中平均故障时间大于106 h，顺利完成第3阶段任务，在此基础上发布了多款可用于雷达的宽禁带器件。

美国空军F-35 Lighting II新型战机(如图1所示)将大量采用Cree公司开发的SiC功率模块。在大功率系统应用中，功率器件的效率越高系统的优点就会越加突出，减少碳排放就是明显的优点之一。另外依据应用领域的不同它还会带来诸多其他优势。如果混合动力机车采用高效宽带隙功率电子器件，即可更加高效地将DC电池转换成AC源动力，从而可更加有效地驱动发动机并降低能耗。而且，电子部件的散热量也会降低，从而使冷却系统的体积更小、质量更轻、复杂程度更低，最终降低生产成本，节约封装空间，达到节约能源的目的。改进器件的效率还可能为军用飞机和替代能源系统带来一系列的优点，例如，提高效率可以减轻质量，降低冷却系统的要求，从而可以延长和扩大飞机的飞行距离和范围。

图1　F-35战机的雷达和功率部件

2雷达与宽禁带半导体

宽禁带半导体功率器件固有的宽禁带、高击穿场强和良好的热稳定性等一些特殊性质和潜在应用前景使它们备受关注，利用宽禁带半导体材料制成的功率器件非常适合应用在雷达中，并将对其系统性能带来深远的影响。

宽禁带半导体技术的功率器件在雷达中应用，主要能解决以下几个问题：

1)显著提高雷达发射机的输出功率和功率密度。雷达辐射功率一直都是衡量雷达性能的一项重要指标，或者说雷达性能从根本上决定于雷达的功率孔径积(发射机平均功率和天线孔径面积的乘积)。现代雷达不仅要观察原有的常规目标，而且需要观察诸如隐身飞机、导弹、无人机、隐身舰船等低雷达截面积目标。对于有源相控阵雷达，可以通过扩大天线阵面尺寸、增加T/R组件数量来实现，但对于一些天线孔径严格受限制的雷达，如机载预警雷达、机载火控雷达、无人机载雷达、直升机载雷达和弹载雷达等，只能通过提高雷达发射信号的输出功率和功率密度的方法观测到目标。因此，对于雷达发射机的输出功率以及功率密度提出了很高的要求。

2)提高工作频率和工作频带宽度。提高雷达的工作带宽和瞬时信号带宽，对实现低截获概率雷达，提高雷达发射信号的反侦察能力和抗干扰能力，实现雷达高分辨率测量与目标成像识别具有重要意义。同时，现代雷达将向多功能一体化方向发展，雷达不仅需要具有预警探测功能，还应具有电子对抗、通信、导航等功能，因此需要雷达发射机提高工作频带宽度，具有多频段工作能力。

3)提高发射信号的线性度。雷达发射多波束的工作方式，要求发射输出信号具有一定的线性度。同时，发射机既可工作在线性状态，又可工作在饱和状态，可以满足多功能雷达工作在侦察、电子对抗、通信、导航等不同状态的要求。另外，发射机具有线性工作能力，可以根据需要进行幅度控制，有助于有源相控阵雷达采用幅度加权的方法实现发射低副瓣。

4)提高发射机的环境适应性。功率晶体管是全固态发射机的核心器件，目前全固态发射机的可靠性问题主要表现为晶体管的失效。功率晶体管的寿命与其结温密切相关，结温越高，寿命越低。在现有条件下，常用Si双极型功率晶体管的结温达到降额要求的临界状态，因此选用能够承受更高结温并有良好热传导率的新型功率晶体管是提高发射机的环境适应性、解决系统可靠性问题的有效途径。第1代、第2代半导体功率器件经过长期的发展，由于其本身半导体材料特性的限制，器件性能不可能在现有基础上再有质的提升。因此，雷达研制人员对于宽禁带半导体功率器件寄予厚望，希望上述现代雷达对大功率发射机的新要求，能够推动宽禁带半导体功率器件的进一步发展，最终带动雷达等装备性能的提高。

新一代雷达及其电子系统的发展趋势是实现侦察、电子对抗、通信、导航定位等设计为一体的综合化电子系统，这不仅要求提高雷达发射机的输出功率和功率密度、工作频带宽度，而且要求发射机具备多波段一体化的工作能力。宽禁带半导体功率器件的输入、输出阻抗随频率变化小，且特性阻抗为高阻扰，所以比较容易实现宽带电路匹配，从而容易提高放大器工作带宽和瞬时带宽。

虽然宽禁带功率器件的优势非常明显，但就目前而言，距将其应用在新一代雷达上的目标还存在一定差距，即要在提高输出功率、功率密度、工作频率、瞬时工作带宽、工作电压和增加品种的同时，还要适应新一代雷达对其的重要要求：

1)可靠性指标要求，要实现宽禁带功率器件的工程化和大批量应用，其寿命应在百万小时以上，而目前在低频端器件也只有十万小时量级，而X 波段以上还没有实现工程化，尤其是GaN功率器件差距更大；

2)对性能指标方面的要求，宽禁带功率器件需有良好的饱和工作能力、谐波抑制、相位一致性的要求以及相位噪声和频谱纯度、工作频率和带宽的要求。

3结束语

宽禁带半导体技术具有许多独特的优点，是新一代半导体材料、器件、电路、工艺发展的重点。许多宽禁带半导体器件与电路都是针对新一代雷达的需求而开发的。目前要充分发挥宽禁带半导体功率器件的优良性能和达到预期的目标还有很长的路要走，相信宽禁带半导体功率器件在不久的将来会成为功率器件的主流，会最大程度地满足现代雷达系统对新型半导体功率器件的需求。■

参考文献：

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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

中图分类号：TN974

文献标识码：A

作者简介：金海薇(1979-)，女，博士，主要从事电子对抗情报研究。

收稿日期：2015-05-26；2015-10-23修回。