美軍依靠哪些先進半導體技術撐腰？

目前，軍事和航空航天設備仍然主要依賴於硅器件，但越來越多的新式半導體材料在逐漸取代硅，並提供顯著的優勢好處。其中，GaN器件正在變得越來越強大，在半導體領域的應用也越來越受到重視。而這些新的半導體器件在軍事領域的應用更加顯著，優勢也更明顯。

軍事需求對半導體提出挑戰

軍事和航空航天設備必須在惡劣環境中運行，如極端溫度，衝擊，振動，污垢和輻射等，高能效高也很重要的，特別是移動，攜帶型和航天器材設備。

多年來，半導體製造商已經開發出了使半導體器件能夠滿足這些需求的方法，半導體產業給了軍方很大的支持。包括處理器，大容量存儲器和可編程邏輯器件（PLD）在內的這些器件

需要降低功耗，而較新的線性設備可以工作在較高頻率，雜訊較低。

在晶元層面，所有這些都取得了顯著的進步，幾乎所有的軍事和航空航天設備。表現都比以往更好。但美國人認為，必須保持防禦優勢，以應對其潛在的敵人，而半導體技術繼續進步

是首要任務。

雖然改進和進步正在進行，但半導體製造是一項成熟的技術，有70年的發展歷史，毫無疑問，硅將繼續主宰軍事電子系統，然而，越來越多的設計師正在轉向替代半導體，材料和製造工藝價格變得越來越實惠。這些材料主要包括化合物半導體碳化硅（SiC），硅鍺（SiGe），銦鎵磷化物（InGaP），磷化銦（InP），砷化鎵（GaAs）和氮化鎵（GaN）。其中，GaN已經開始帶來重大收益，特別是在那些速度快，頻率高，效率高，耐熱性強，高功耗的應用領域。

半導體行業對國家安全至關重要，它為許多系統提供了尖端的技術。伊朗和北韓的「威脅」使得美國要鞏固他們的技術優勢。此外，中國的積極進取，以及增加對自身半導體製造業的投資，使得美國覺得投資其半導體顯得日益重要，投入了更多的研究以保持領先。

半導體是軍事的戰略因素，其重要性不容低估。最近，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）公布了一項7500萬美元的新資金計劃，以使半導體技術作為2018年國防預算的一部分。這將半導體研究的總投資增加到超過2億美元。

晶體管「清新劑」

軍事裝備的改進正在進行，除了硅器件之外，採用新材料和製造工藝的電路已經實現突破，如用GaAs或GaN製成的器件。這些材料已經創造出了一些有趣的新晶體管類型。

圖1： InGaP HBT的結構示出了GaAs襯底

與集電極，基極和發射極層。 所得晶體管

在較低的微波頻率下具有高增益，且頻率

低於20 GHz。

GaAs或GaN襯底可用於製造任何類型的晶體管，包括最受歡迎的雙極結晶體管（BJT）和增強型MOSFET。其他晶體管類型也已經出現，如異質結雙極性晶體管（HBT），MESFET，HEMT等。這些都利用基板材料的特點，產生了最佳的放大和功率處理能力。

HBT使用標準BJT配置，但使用不同基極和發射極材料。一個流行的組合是GaAs發射極和AlGaAs基極。結果是在微波頻率達到250 GHz時，會產生非常高的增益。圖1顯示出了InGaP HBT的複雜結構。這種組合可用於微波功率放大器。

MESFET或金屬外延半導體FET基本上是這樣的：具有用於形成肖特基結的金屬柵極的JFET

與主導通道。它提供耗盡模式，設備正常打開並被a關閉，施加負柵極電壓。 MESFET通常由GaAs製成，在微波頻率下具有高增益。

MESFET的一個變種是高電子遷移率晶體管（HEMT），也稱為結構FET（HFET）或調製摻雜FET（MODFET）。它通常是用具有額外層的GaAs或GaN和肖特基結構成（圖2）。耗盡模式是最常見的配置。改進的性能版本是使用pHEMT額外的銦層進一步加速電子運動。這些

器件工作在30 GHz或更高的頻率。

圖2：這是GaN HEMT的基本結構。

襯底通常是藍寶石或碳化硅，也可以使用硅。

2DEG表示二維電子氣體，

一層由電子製成的氣體可以在任何方向垂直移動。

最近，GaN已經被用於創建標準的正常關閉增強型MOSFET。 這些設備可以使用高達幾百伏特的電壓，導通電阻非常低。這些GaN-on-Si器件瞄準的是開關模式電源應用。

GaAs

實際的離散GaAs晶體管很少。使用GaAs最多的產品是集成電路，特別是單片微波集成電路（MMIC）。MMIC具有低信號電平增益。這樣的放大器使用HBT或MESFET，但有些使用pHEMTs。頻率範圍為30 GHz可用。實際高頻截止（ft）或統一GaAs器件的增益帶寬在250 GHz的範圍內，儘管沒有多少器件或IC放大器可以達到。

因其具有高增益和低雜訊特點，MMIC廣泛應用於大多數微波設備，包括衛星，雷達和電子戰（EW）設備。在雷達中，用GaAs器件代替全部或大部分硅可以實現顯著的效益，雷達會更小，更輕，更節能。但最重要的是它可以更遠的距離進行掃描並覆蓋相當廣闊的空間。一些估計遠高於50％。在電子戰系統，這種能力可以更早地發現敵人是一個重大優勢，有利於挽救生命和器材。

GaAs也用於製造有線電視的功率放大器配電系統，手機功率放大器和一些低功耗

軍用無線電，這些是AB類線性放大器，功率水平達到一瓦，在20%~50％的範圍內具有最大的功率附加效率（PAEs）。

GaN

氮化鎵晶體管在軍事系統中的應用已經有一段時間了，大概10年左右。在美國國防部（DoD）的倡議下，GaN已迅速發展成為最新的明星微波功率放大器用工藝。最初為開發爆炸裝置（IED），用於伊拉克戰爭，GaN已經出現在所有新的微波和毫米波電子產品中了，包括雷達，衛星，通信和電子戰（EW）系統。

使GaN如此令人印象深刻的是其高功率密度，而GaAs具有約1.5W / mm的基本功率密度，GaN具有的功率密度在5?12W / mm。它還具有高電子遷移率，這意味著它可以很好的將信號放大到較高的GHz範圍內。典型的GaN晶體管fT為200 GHz。此外，它可以做到相對較高的擊穿電壓水平，達到了80V左右。

GaN器件通常製造在兩個不同的襯底上，硅上的GaN或碳化硅（SiC）上的GaN。這兩種類型，普遍的共識是功率較低器件使用較便宜的Si襯底。高功率設備具有更好的熱性能應使用SiC襯底晶圓。

GaN的缺點是成本很高。現在的成本隨著更多的供應商進入市場和使用量下降。這些材料是昂貴的，且製造的過程和設備的成本高昂。隨著數量的進一步增加，生產成本會下降，但仍然會保持在高於CMOS工藝成本的水平。

GaN應用

GaN技術的主要應用焦點是微波和毫米波功率放大器。單個放大器可以達到幾十瓦的功率水平。在其他並行/推拉/Doherty配置下，功率達到數百，甚至數千瓦特都是可能的，大多數應用是軍事相關的相控陣雷達模塊，衛星功率放大器，干擾器和其他電子戰（EW）設備。

過去，行波管（TWT）實現了高功率，今天仍然是一些應用的選擇。硅LDMOS FET出現後，提供了數百、上千瓦的功率水平。但是，這些器件不能在6 GHz以上的頻率使用。這個高功率的微波和毫米波段需求帶動了過去新型GaN晶體管的發展，只用了幾年時間就可以在30 GHz或更高的頻率上輕鬆提供數十到數百，甚至數千瓦的功率。

據預測，GaN放大器將開始取代一些TWT衛星和雷達放大器。對於功率轉換，GaN也有相當大的優勢。GaN晶體管開關是高電壓操作，因此是大功率dc-dc轉換器和其他開關模式電路的理想選擇。在一些應用中，GaN開關晶體管可以代替IGBT。GaN器件可以實現更小尺寸，更有效和耐熱的電路，這正是軍事應用所必需得。

GaN也適用於除功率以外的應用放大或轉換。可以使用GaN做不同類型的晶體管，如MESFET，HBT和pHEMT。這些可用於製造MMIC放大器。隨著這些新設備的改進，它們將會逐步取代硅，因為它們能夠在40 GHz的頻率上穩定工作。

GaN製造工藝在不斷進步，以降低成本，目前，GaAs繼續佔主導地位，主要用於具有小信號MMIC，LNA以及低電平的手機和移動無線電的功率放大器。但是，隨著GaN成本的降低，以及GaN對小信號應用領域的滲透，砷化鎵很可能會失去不少市場，其他用硅（LDMOS），SiGe，SiC將繼續找到其獨特的利基適合應用。

關鍵設備

有幾種集成電路對於贏得或失去電子戰主導權至關重要，如搜索，偵測和攔截雷達信號的接收機，還有無線電和導彈的，高性能接收機是所有EW系統的核心，它們必須具有高靈敏度

和帶寬，以處理各種威脅。目前，這些接收器大多是數字的，他們通過模數轉換器（ADC）將模擬射頻信號轉換為數字信號。EW接收器需要非常好的ADC，要求雜訊低，高帶寬，動態範圍廣。

半導體測試

GaN和GaAs的應用越來越廣泛，高頻應用使它們在測試方面出現了越來越多的困難，一些新的IC複雜性增加了測試時間和成本。另外，範圍更廣的應用程序使一套傳統台式機測試儀器處理所有類型的設備變得愈加困難。而普遍的的解決方案是使用模塊化測試儀器，如使用PXI模塊化標準的儀器。圖3顯示了一個例子。測試工程師可以配置測試儀器，以適合精確的設備，從而降低成本。

更緊湊的解決方案，典型的PXI模塊包括矢量信號發生器（VSG），矢量信號分析儀（VSA）和矢量網路分析儀（VNA），以及特殊模塊組合的數字化儀器，數字輸入/輸出（I / O）組件。趨勢是用優化的定製儀器節省時間和成本，這樣的系統有望取代一些傳統自動測試設備（ATE）系統。

圖3：模塊化和定製

半導體測試系統，

PXI標準提供了

實惠的測試解決方案。

展望未來

自20世紀60年代以來，半導體行業一直在追捧摩爾定律，即每兩年（或18個月），晶元的晶體管數量翻一番。晶體管尺寸有降低，速度有所增加，更多的電路可以放在一個較小的晶元上。

展望未來，有兩個主要問題。第一，晶體管的特徵尺寸達到了材料中的原子大小，這是最終的限制。目前，14納米（nm）晶元正在製造，一些製造商正在研究更小的7到5 nm器件。生產這樣的晶元是比較困難和且昂貴的，這意味著只有最大和設備齊全的半導體廠商才可以

基於更小的幾何形狀開發晶元。

第二，半導體產業如何發展壯大？硅產品將繼續存在，新的機遇，如汽車電子和物聯網設備市場。手機行業仍然需要標準晶元以及速度更快的晶元。像GaN這樣的新材料將越來越多地被採納。

來源 | MICROWAVES & RF

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