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应用科技

宽禁带半导体材料的特点及应用

李璐

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥230088）

[摘要]宽禁带半导体主要是指禁带宽度（导带最低点与价带最高点之间的能量差）大于2.2电子伏特的半导体材料。以GaN、SiC为代表的

宽禁带半导体材料具有高击穿电场强度、高截止频率、高热传导率、高结温和良好的热稳定性、强抗辐射能力等特点，这些特点的具备使得

其可以在传统器件所不能胜任的高温、强辐射环境中得到应用。随着器件设计技术和制造工艺的不断进步，宽禁带半导体器件必将逐步取代

传统的半导体器件。

[关键词]宽禁带；雷达；相控阵；高功率微波

宽禁带（WBG）半导体与窄禁带半导体材料的区别是它们的禁带力，低截获概率雷达的实现，雷达的高分辨测量与目标成像识别具有重

宽度。所谓宽禁带半导体主要是指禁带宽度（导带最低点与价带最高点要意义。美国海军的S波段与X波段有源相控阵雷达，均具有大的工

之间的能量差）大于2.2电子伏特的半导体材料，包括SiC、GaN、作带宽。

AlN、ZnO等。本文从宽禁带半导体的特点和发展水平出发，提出了应有源相控阵雷达常采用幅度加权的方法来优化发射方向图和降低

用在雷达和高功率微波中这两个方向，为今后宽禁带半导体材料的发展副瓣电平。由于宽禁带功率器件工作电压和输出功率之间的线性度较

提供了新的思考途径。好，可以通过改变栅极的电压来控制漏极电流，从而满足雷达大幅度加

1宽禁带半导体材料的特点和发展水平权的要求。同时，还可以应用这一特性实现同一功率量级的不同输出功

1.1宽禁带半导体材料的特点率的放大器模块化设计。

与窄禁带半导体相比，宽禁带半导体材料具有较大的禁带宽度以对于阵面庞大的有源相控阵雷达，每个组件的输入电平很难控制，

及很高的击穿电场强度，使得宽禁带器件能够承受的峰值电压大幅度提为了达到组件输出的一致性，需要利用器件的深饱和特性。Si功率器件

高，器件的输出功率可获得大规模提升，如AlGaN/GaNHEMT器件在工作在饱和区时，随着输入功率的增加，效率急剧降低，从而导致T/R

8GHz连续波功率输出功率密度为30.6W/mm，高出GaAs微波功率组件的总效率降低、耗散功率增加；而宽禁带器件的效率会随着输入功

器件功率密度30倍以上；宽禁带材料具有高的热导率、高化学稳定性率的增加而提高，能够维持耗散功率基本不变。

等优点，使得功率器件可以在更加恶劣的环境下工作，可极大提高系统此外，对受到雷达平台或武器平台限制的雷达来说，由于有源相

的稳定性与可靠性，如SiC的热传导性较Si高3倍多，是高功率选择控阵天线的孔径受到严格限制，增加阵列天线面积的可能性不大。宽禁

的理想材料；宽禁带材料抗辐射能力非常好，在辐射环境下，宽禁带器带器件由于具有极高的功率密度，在增加T/R组件发射信号放大器输出

件对辐射的稳定性比Si器件高10～100倍，因此是制作耐高温、抗辐功率的同时还能进一步减少T/R组件的体积、重量。

射的大功率微波功率器件的优良材料；宽禁带半导体器件的结温高，如2.1.2高可靠性

SiC器件的结温可达600℃，由于热传导率高，允许的结温高，故在冷功率器件的寿命与其结温密切相关，结温越高，寿命越低。功率

却条件较差、热设计保障较差的环境下也能够稳定工作。器件的结温每升高10℃，工作寿命减少1/2。目前Si功率器件在地面

1.2宽禁带半导体材料的国内外发展水平条件下的应用结温就常常达到临界状态，对于机载和星载环境则更加难

国外在宽禁带器件的研究方面技术领先，根