微波功率器件的发展

        微波/毫米波器件和电路是当今微电子技术的一个重要发展方向，在国防电子通讯应用领域，大量集中在雷达通信电子战等方面。在民用商业应用领域主要集中在移动电话、无线通信、个人通信网、定位系统、卫星接收等方面。

        随着卫星通信、相控阵雷达和电子对抗等技术的发展，微波/毫米波器件及其电路的地位日渐提高，成为突破或制约尖端技术的关键，早己引起国际社会的极大关注，其中美国就把微波半导体功率器件及其电路列为国家发展战略的核心技术，又于1997 年发布了《联合作战科学技术计划》，把微波/毫米波单片、高温、高功率电路和多功能的模块电路作为重点，充分发掘第三代半导体材料-宽禁带半导体的潜力，使器件的性能在Si、GaAs 器件基础上有更大的提高。

目前 微波/毫米波器件和电路主要采用Si、GaAs 材料及正在广泛研制的InP、SiC 和GaN 等材料。

        基于不同材料的各种微波功率器件的发展现状如下：

1 Si

        Si 微波低噪声双极晶体管70 年代进入X 波段后，便己接近极限水平，其频率和低噪声性能无法与迅速发展起来的GaAs MESFET 和HEMT相比，但在微波频率，低端Si 晶体管仍是大功率应用的首选器件，因为5GHz 以下Si 器件的输出功率比其他固态器件高。基于Si 工艺的成熟技术，国外从80 年代开始在进行产品性开发的同时，继续将其工作频率推向S、X 波段，最新的研究已涉及到10GHz。目前商品化产品从30MHz-3GHz，分别适合于脉冲、连续波、线性、振荡等不同的应用市场。

同族异质结构材料及其器件研究又是一个重要的研究方向。

        SiGe/Si 器件获得了突破性进展,表现出良好的高频性能。与Si 相比，SiGe 速度更快，噪声更低，功耗更小。SiGe 基的VCO、LNA、MIXER和DAC是体硅材料器件性能的2-3倍，SiGe 的HBT 制作成本也较低，在高频领域有广泛的应用前景。

2 GaAs

        GaAs 材料的电子迁移率比Si 的高，漂移速度快，所以GaAs 比Si 具有更好的高频特性。以GaAs 材料制作的器件和电路具有损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高等特点。同时GaAs 材料是直接带隙，禁带宽度大，因而器件的抗电磁辐射能力强，工作温度范围宽，更适合在恶劣的环境下工作。因为GaAs 材料和器件工艺均比其他器件更为成熟，所以目前和今后一段时期内，在微波/毫米波应用中，仍以GaAs 器件及其电路为首选对象。目前，构成 GaAs IC 的主要器件是MESFET、JFET、HEMT和HBT，后两者己成为主要发展方向。

3 InP

        与GaAs 相比，击穿电场、热导率、电子平均速度均更高，而且在异质结InAlAs/InGaAs 二维电子气密度大，沟道中电子迁移率高等优点，决定了InP基器件在化合物半导体器件中的地位和优异的性能。随着近几年对InP 器件的大力开发和研制，InP HEMT己成为毫米波高端应用的支柱产品，器件的fT 和fmax 分别达340GHz和600GHz ，代表着微波/毫米波器件的最高水平。InP HBT 有望在大功率、低电压等方面开拓应用市场，拥有更广的应用领域。

4 GaN

GaN 是一种宽带隙的半导体材料，它具有优异的物理和化学性质，如热导率较高和介电常数大，电子饱和速度高和化学稳定性好，因此可以制成适用于高温辐射等恶劣环境下工作的半导体器件。

        近年来由于半导体薄膜生长技术如MBE、MOCVD 等的发展，已能在蓝宝石SiC及GaAs 上生长出高质量的GaN 薄膜，并用于制备能够输出高功率密度的微波器件、高温电子器件、短波长发光器件和紫外探测器，这表明GaN 材料己成为继Si 和GaAs 之后又一类重要的半导体材料。由于GaN 具有广阔的应用前景，90 年代以来日本美国及欧洲的一大批国家级的研究机构和大公司的研究中心纷纷投入大量的人力和财力进行研究和开发，不仅在器件应用上取得了一批重要成果，而且在GaN 器件制备工艺的基础研究方面也有了巨大进展。目前国内在这一领域的研究规模也逐渐壮大在材料工艺方面取得了一定的研究成果。

5 SiC

        经过几十年的努力，特别是近十几年来的发展SiC 已发展为目前较为成熟的宽禁带半导体材料，可制作出性能更为优异的高温、高频、高功率和抗辐射器件，是极具发展潜力的新型材料，在军事装备中有着广泛的应用前景。美国、日本、俄罗斯、欧洲一些国家（英、法、德、瑞典等）在SiC 材料和器件的研发方面投资巨大，材料及器件的性能不断提高，以军事领域应用为。例SiC 主要器件分类如下：

1高频功率器件

        SiC 高频(微波)功率器件的高电流密度、高功率和高温特性可以极大地改善通讯雷达系统的性能，目前，最先进的固态微波通讯系统和雷达都应用GaAs半导体,但是,军用飞机电子系统对固态微波器件在高功率、高温上的要求已超过GaAs 半导体器件的理论极限，而SiC 高频功率器件完全可以满足这个要求。

        将SiC高频功率器件应用于固态相控阵雷达作发射组件，可以增加4 倍的发射输出功率，显著提高其探测距离和隐身目标的分辩力，较目前的行波管有更高的可靠性。

        此外大功率相控阵雷达主要受热耗散的限制，SiC 高频功率器件同时也是耐高温和高功率密度的器件，因此，采用SiC 高频功率器件的固态相控阵雷达，在提高功率的同时，可改善整个系统的性能，除去冷却装置大大减小系统体积。

2 大功率器件

        由于 SiC 材料的热导率高、热容量大，特别是SiC 材料远高于Si 的临界击穿电场，极大地提高了SiC 器件的耐压容量、工作频率和电流密度，大大地降低了SiC 器件的导通损耗，使SiC 功率器件可以工作在大功率和较高温度下，从而减少甚至取消冷却系统，使系统的体积和重量大大降低，效率大大提高，因此，SiC 功率器件在坦克、舰艇、火炮的功率电子系统领域具有特别重要的意义。

3 高温器件

由于材料宽的禁带宽度和高的热导率 ，SiC 器件可以工作到Si 基器件所不能工作的600 ℃高温，因此，SiC 器件在航天航空、高温辐射环境、自动化、雷达与通信等方面可望发挥重要作用。

        即使在飞机的非高温电子系统中，如采用SiC 电子系统，也可取消冷却系统，如F-22 中的液体冷却装置，减轻重量。此外下一代涡轮控制系统要采用在350℃ 的高温工作的电子设备，超音速飞机表层的传感器受热也需要高温工作的器件，SiC 器件在这方面具有极大的应用优势。

4 光电子器件和 族异质结器件

        SiC 发光二极管能发出蓝光，可与其它发红光、绿光的器件组成固态发光源，能发出可见光范围内的任意颜色光，用于全彩显示。SiC 对紫外辐照的峰值灵敏度较Si 高数千倍，这个特性在弹道导弹预警系统和防御系统上具有极大应用价值。