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美军依靠哪些先进半导体技术撑腰?

目前,军事和航空航天设备仍然主要依赖于硅器件,但越来越多的新式半导体材料在逐渐取代硅,并提供显着的优势好处。其中,GaN器件正在变得越来越强大,在半导体领域的应用也越来越受到重视。而这些新的半导体器件在军事领域的应用更加显著,优势也更明显。


军事需求对半导体提出挑战

军事和航空航天设备必须在恶劣环境中运行,如极端温度,冲击,振动,污垢和辐射等,高能效高也很重要的,特别是移动,便携式和航天器材设备。


多年来,半导体制造商已经开发出了使半导体器件能够满足这些需求的方法,半导体产业给了军方很大的支持。包括处理器,大容量存储器和可编程逻辑器件(PLD)在内的这些器件需要降低功耗,而较新的线性设备可以工作在较高频率,噪声较低。


在芯片层面,所有这些都取得了显着的进步,几乎所有的军事和航空航天设备。表现都比以往更好。但美国人认为,必须保持防御优势,以应对其潜在的敌人,而半导体技术继续进步是首要任务。


虽然改进和进步正在进行,但半导体制造是一项成熟的技术,有70年的发展历史,毫无疑问,硅将继续主宰军事电子系统,然而,越来越多的设计师正在转向替代半导体,材料和制造工艺价格变得越来越实惠。这些材料主要包括化合物半导体碳化硅(SiC),硅锗(SiGe),铟镓磷化物(InGaP),磷化铟(InP),砷化镓(GaAs)和氮化镓(GaN)。其中,GaN已经开始带来重大收益,特别是在那些速度快,频率高,效率高,耐热性强,高功耗的应用领域。


半导体行业对国家安全至关重要,它为许多系统提供了尖端的技术。伊朗和北韩的“威胁”使得美国要巩固他们的技术优势。此外,中国的积极进取,以及增加对自身半导体制造业的投资,使得美国觉得投资其半导体显得日益重要,投入了更多的研究以保持领先。


半导体是军事的战略因素,其重要性不容低估。最近,美国国防部高级研究计划局(DARPA)公布了一项7500万美元的新资金计划,以使半导体技术作为2018年国防预算的一部分。这将半导体研究的总投资增加到超过2亿美元。


晶体管“清新剂”

军事装备的改进正在进行,除了硅器件之外,采用新材料和制造工艺的电路已经实现突破,如用GaAs或GaN制成的器件。这些材料已经创造出了一些有趣的新晶体管类型。

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图1: InGaP HBT的结构示出了GaAs衬底

与集电极,基极和发射极层。 所得晶体管

在较低的微波频率下具有高增益,且频率

低于20 GHz。


GaAs或GaN衬底可用于制造任何类型的晶体管,包括最受欢迎的双极结晶体管(BJT)和增强型MOSFET。其他晶体管类型也已经出现,如异质结双极性晶体管(HBT),MESFET,HEMT等。这些都利用基板材料的特点,产生了最佳的放大和功率处理能力。


HBT使用标准BJT配置,但使用不同基极和发射极材料。一个流行的组合是GaAs发射极和AlGaAs基极。结果是在微波频率达到250 GHz时,会产生非常高的增益。图1显示出了InGaP HBT的复杂结构。这种组合可用于微波功率放大器。


MESFET或金属外延半导体FET基本上是这样的:具有用于形成肖特基结的金属栅极的JFET

与主导通道。它提供耗尽模式,设备正常打开并被a关闭,施加负栅极电压。 MESFET通常由GaAs制成,在微波频率下具有高增益。


MESFET的一个变种是高电子迁移率晶体管(HEMT),也称为结构FET(HFET)或调制掺杂FET(MODFET)。它通常是用具有额外层的GaAs或GaN和肖特基结构成(图2)。耗尽模式是最常见的配置。改进的性能版本是使用pHEMT额外的铟层进一步加速电子运动。这些

器件工作在30 GHz或更高的频率。

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图2:这是GaN HEMT的基本结构。 

衬底通常是蓝宝石或碳化硅,也可以使用硅。

 2DEG表示二维电子气体,

一层由电子制成的气体可以在任何方向垂直移动。


最近,GaN已经被用于创建标准的正常关闭增强型MOSFET。 这些设备可以使用高达几百伏特的电压,导通电阻非常低。这些GaN-on-Si器件瞄准的是开关模式电源应用。


GaAs

实际的离散GaAs晶体管很少。使用GaAs最多的产品是集成电路,特别是单片微波集成电路(MMIC)。MMIC具有低信号电平增益。这样的放大器使用HBT或MESFET,但有些使用pHEMTs。频率范围为30 GHz可用。实际高频截止(ft)或统一GaAs器件的增益带宽在250 GHz的范围内,尽管没有多少器件或IC放大器可以达到。


因其具有高增益和低噪声特点,MMIC广泛应用于大多数微波设备,包括卫星,雷达和电子战(EW)设备。在雷达中,用GaAs器件代替全部或大部分硅可以实现显着的效益,雷达会更小,更轻,更节能。但最重要的是它可以更远的距离进行扫描并覆盖相当广阔的空间。一些估计远高于50%。在电子战系统,这种能力可以更早地发现敌人是一个重大优势,有利于挽救生命和器材。


GaAs也用于制造有线电视的功率放大器配电系统,手机功率放大器和一些低功耗

军用无线电,这些是AB类线性放大器,功率水平达到一瓦,在20%~50%的范围内具有最大的功率附加效率(PAEs)。


GaN

氮化镓晶体管在军事系统中的应用已经有一段时间了,大概10年左右。在美国国防部(DoD)的倡议下,GaN已迅速发展成为最新的明星微波功率放大器用工艺。最初为开发爆炸装置(IED),用于伊拉克战争,GaN已经出现在所有新的微波和毫米波电子产品中了,包括雷达,卫星,通信和电子战(EW)系统。


使GaN如此令人印象深刻的是其高功率密度,而GaAs具有约1.5W / mm的基本功率密度,GaN具有的功率密度在5〜12W / mm。它还具有高电子迁移率,这意味着它可以很好的将信号放大到较高的GHz范围内。典型的GaN晶体管fT为200 GHz。此外,它可以做到相对较高的击穿电压水平,达到了80V左右。


GaN器件通常制造在两个不同的衬底上,硅上的GaN或碳化硅(SiC)上的GaN。这两种类型,普遍的共识是功率较低器件使用较便宜的Si衬底。高功率设备具有更好的热性能应使用SiC衬底晶圆。


GaN的缺点是成本很高。现在的成本随着更多的供应商进入市场和使用量下降。这些材料是昂贵的,且制造的过程和设备的成本高昂。随着数量的进一步增加,生产成本会下降,但仍然会保持在高于CMOS工艺成本的水平。


GaN应用

GaN技术的主要应用焦点是微波和毫米波功率放大器。单个放大器可以达到几十瓦的功率水平。在其他并行/推拉/Doherty配置下,功率达到数百,甚至数千瓦特都是可能的,大多数应用是军事相关的相控阵雷达模块,卫星功率放大器,干扰器和其他电子战(EW)设备。


过去,行波管(TWT)实现了高功率,今天仍然是一些应用的选择。硅LDMOS FET出现后,提供了数百、上千瓦的功率水平。但是,这些器件不能在6 GHz以上的频率使用。这个高功率的微波和毫米波段需求带动了过去新型GaN晶体管的发展,只用了几年时间就可以在30 GHz或更高的频率上轻松提供数十到数百,甚至数千瓦的功率。


据预测,GaN放大器将开始取代一些TWT卫星和雷达放大器。对于功率转换,GaN也有相当大的优势。GaN晶体管开关是高电压操作,因此是大功率dc-dc转换器和其他开关模式电路的理想选择。在一些应用中,GaN开关晶体管可以代替IGBT。GaN器件可以实现更小尺寸,更有效和耐热的电路,这正是军事应用所必需得。


GaN也适用于除功率以外的应用放大或转换。可以使用GaN做不同类型的晶体管,如MESFET,HBT和pHEMT。这些可用于制造MMIC放大器。随着这些新设备的改进,它们将会逐步取代硅,因为它们能够在40 GHz的频率上稳定工作。


GaN制造工艺在不断进步,以降低成本,目前,GaAs继续占主导地位,主要用于具有小信号MMIC,LNA以及低电平的手机和移动无线电的功率放大器。但是,随着GaN成本的降低,以及GaN对小信号应用领域的渗透,砷化镓很可能会失去不少市场,其他用硅(LDMOS),SiGe,SiC将继续找到其独特的利基适合应用。


关键设备

有几种集成电路对于赢得或失去电子战主导权至关重要,如搜索,侦测和拦截雷达信号的接收机,还有无线电和导弹的,高性能接收机是所有EW系统的核心,它们必须具有高灵敏度和带宽,以处理各种威胁。目前,这些接收器大多是数字的,他们通过模数转换器(ADC)将模拟射频信号转换为数字信号。EW接收器需要非常好的ADC,要求噪声低,高带宽,动态范围广。


半导体测试

GaN和GaAs的应用越来越广泛,高频应用使它们在测试方面出现了越来越多的困难,一些新的IC复杂性增加了测试时间和成本。另外,范围更广的应用程序使一套传统台式机测试仪器处理所有类型的设备变得愈加困难。而普遍的的解决方案是使用模块化测试仪器,如使用PXI模块化标准的仪器。图3显示了一个例子。测试工程师可以配置测试仪器,以适合精确的设备,从而降低成本。


更紧凑的解决方案,典型的PXI模块包括矢量信号发生器(VSG),矢量信号分析仪(VSA)和矢量网络分析仪(VNA),以及特殊模块组合的数字化仪器,数字输入/输出(I / O)组件。趋势是用优化的定制仪器节省时间和成本,这样的系统有望取代一些传统自动测试设备(ATE)系统。

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图3:模块化和定制

半导体测试系统,

PXI标准提供了

实惠的测试解决方案。

展望未来

自20世纪60年代以来,半导体行业一直在追捧摩尔定律,即每两年(或18个月),芯片的晶体管数量翻一番。晶体管尺寸有降低,速度有所增加,更多的电路可以放在一个较小的芯片上。


展望未来,有两个主要问题。第一,晶体管的特征尺寸达到了材料中的原子大小,这是最终的限制。目前,14纳米(nm)芯片正在制造,一些制造商正在研究更小的7到5 nm器件。生产这样的芯片是比较困难和且昂贵的,这意味着只有最大和设备齐全的半导体厂商才可以基于更小的几何形状开发芯片。


第二,半导体产业如何发展壮大?硅产品将继续存在,新的机遇,如汽车电子和物联网设备市场。手机行业仍然需要标准芯片以及速度更快的芯片。像GaN这样的新材料将越来越多地被采纳。

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