“新国防”和第三代半导体（二）

半导体科技是“新国防”赛场的重要赛道，而以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，具有禁带宽、击穿电场强度高、饱和电子迁移率高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强等优点，以这类材料为基础制备的电子器件是支撑“新国防”建设的关键核心器件。

本文延续昨日文章，敬请查看：

干货丨“新国防”和第三代半导体（一）

三、第三代半导体材料紫外预警、保密通信应用

1、紫外预警和制导

以AlGaN材料（近年也在发展Ga2O3材料）制备的日盲紫外探测器和图像传感器在导弹等预警中有重要应用，可以对敌方光辐射源或散射源进行探测、搜索、定位、辨识、测定，提供相应情报和发布预警信息。

原理：这是通过探测导弹羽烟中处于日盲波段的紫外线辐射来实现。日盲波段指波长在200～300 nm电磁波段，由于在这一波段的太阳辐射光波几乎完全被地球的臭氧层所吸收，所以大气层中的背景辐射几乎为零，称为日盲。常见的战术导弹飞行的动力是燃料加助燃剂，在低空飞行时燃烧形成处于日盲波段的紫外辐射源，利用紫外探测器就能在微弱的背景下探测出导弹。

进展：目前研制的紫外预警系统包括德国宇航公司研制的MILDS22，美国Grintek Aviotronics公司研制的MAW-2000，Lockheed Martin的AN/AAR-47型，AN/AAR-54（V）导弹预警系统，法国BAE系统公司的通用导弹预警系统（CMWS）和我国研制的SE-2型导弹逼近紫外预警系统等。德国宇航公司研制的MILDS22系统反应时间 0.5 s，角分辨率为17 mrad，总重8 kg，探测距离为5 km。光电预警还有激光预警和红外预警以及前文提到的雷达预警系统。

各种预警方式比较：

①激光预警方式只对激光制导导弹有效（斩首伊朗将领苏莱曼尼的“地狱火”导弹就是激光制导），而红外预警的缺点是较多地面红外源导致虚警率较高，而雷达是主动式工作（不断主动发射电磁波，并接收回波），易于暴露自身目标。

②从探测距离比较，从远到近依次是雷达（如AMDR-S，400km）、红外（如美国和加拿大联合研制的AN/SAR-8红外搜索与跟踪系统，探测距离大于10km）、激光和紫外预警系统（如德国宇航公司的MILDS22紫外预警系统，5 km）。

③从探测精度排序，依次是激光预警（如美国AIL系统公司研制的“高精度激光预警接收机”（HALWR），灵敏度为 0.28 mW/cm，测量角精度接近1mrad），紫外（MILDS22角分辨率为17mrad，虚警率低于1/90min），红外（AN/SAR-8，虚警率为1/40min）和雷达。

这个探测距离和探测精度是个负相关的两个参数，同电磁波的波长相关：长波的吸收等损耗小，传输距离和探测距离远，但是精度就低（同为AMDR雷达系统也如此，AMDR-S 比AMDR-X 更远探测距离和降低的精度，分工配合）。此外，紫外光比较容易受大气散射的影响，导致探测距离会进一步降低，精度上的优点主要是日盲探测特性所致。目前的预警系统向多波长复合、共用方向发展。如双色红外系统，红外/紫外共用系统等。在后者应用中，可由紫外系统确定目标，然后转变为红外系统来继续跟踪。

我国的紫外预警系统还在起步跟进阶段，需要在紫外探测元器件、系统以及紫外信号的处理分析等方面进步。南京大学、北京大学、中科院长春光机所等单位在AlGaN基紫外探测器方面取得国家级的成果和奖励。紫外预警可自然而然进一步用于紫外制导。

2、紫外保密通信

特点：紫外保密通信也叫紫外安全通信。紫外光有两个显著的特点，一是上面说的日盲性质，波长在200～300 nm波段的太阳辐射光波几乎完全被地球的臭氧层所吸收，大气层中的背景辐射几乎为零；二是紫外光容易被大气溶胶的悬浮颗粒散射，散射概率是红外的1000倍以上。上述两点可以使紫外光在“无线电静默”条件下的特种战斗队伍或战斗机编队之类的紫外保密通信，具有局域性（紫外光按指数规律衰减，非通信区域的辐射功率减至最小，敌人无法监视，跟踪，窃听等）、非视距工作模式（由于大气的多次散射，无法根据视距传播特点找到信息源）以及不受无线电干扰、对飞机及机场的电子系统不产生干扰的优点。

进展：早在1960年，美国海军就开始了关于紫外光通信的研究。此后，麻省理工学院、普林斯顿大学、美国通用公司等单位，也包括大名鼎鼎的雷神公司，和DARPA延续不断地对紫外光通信技术进行研究，美军TITAN系统启动了“紫外局域工作站网络 (ULAN)”的项目。2004年，美国麻省理工大学林肯实验室采用274nm的紫外LED作为光源，将240支紫外LED做成阵列，其光功率仅为4.5mW。实验采用非直视通信，在100米的范围内通信速率为200bit/s。而2019年英国斯特莱德大学Martin Dawson和爱丁堡大学Hass教授采用UV-C 波段（200-280 nm）的μLED实现了超过3 Gbps的深紫外光通信速率，但是传输距离比较短，只有1m自由空间。

AlGaN基紫外LED应用：紫外通信速率的提高同AlGaN基紫外LED及紫外探测技术的进步关系密切。相比笨重且调制速率慢的传统汞灯，AlGaN基紫外LED小巧便携，且调制速率大为提高，是未来紫外光通信的理想光源。但受限于外延材料和芯片技术，深紫外LED的外量子效率还比较低，在10%以下，商业化水平在1%-3%。

AlGaN基紫外LED进展：日本理化学研究所平山秀树教授课题组深紫外LED研发全球领先，效率达到20.3％。国内相关研究机构有中科院半导体所、北京大学、广东半导体研究院、华中科大、厦门大学、西安电子科大等，及中科潞安、湖北深紫、青岛杰生电气、三安光电等企业。

受益于新冠疫情带来的紫外杀菌消毒的强大市场需求驱动，AlGaN基紫外LED和深紫外LED器件的技术将快速进步，器件光功率提高将会使紫外通信技术在军事上的应用更成熟和可靠。紫外通信速率未来的瓶颈可能在大气对紫外光的散射作用这一原理性限制，而不是光源和探测器器件的性能。当然这同紫外通信的局域范围，即通信距离相关。

图-3 紫外保密通信

四、保障国防应用，器件散热与器件异质集成技术是关键

1、器件散热

器件散热：综上来看，“新国防”上第三代半导体器件得益于其宽禁带等属性，往更大功率，更高温，更小体积方向发展。而这带来一个共性的问题，就是器件的散热问题—虽然SiC等材料的导热性提高，但是功率密度提高更多。

项目支持情况：器件可靠性对军工产品生死攸关，美国军方DARPA等机构和英国欧盟等除了支持“NeXt”“JUMP”“5G GaN2”等GaN、SiC上述器件开发项目外，对高效散热提高可靠性也立项支持，包括：

①DARPA芯片内/芯片间增强冷却（IceCool，Intrachip/Interchip Enhanced Cooling）项目：据DARPA描述，“IceCool项目旨在寻求克服远程冷却的局限性，通过在基底、芯片或组件中引入微流体冷却技术以及通过包括在电子设备设计早期阶段的热管理来探索嵌入式热管理。”

②DARPA“近结热传输”（NJTT，Near Junction Thermal Transport）项目：着眼于为GaN和其他设备集成热层。就管理热负荷方面而言，NJTT与IceCool项目采用的方法相同。

③2017年英国金刚石和碳化硅材料计划，支持富士通公司在金刚石和碳化硅衬底散热技术方面取得进展，同时支持布里斯托尔大学研发能满足未来高功率射频和微波通信的下一代GaN技术，金刚石基氮化镓（GaN）微波器件，金刚石的主要功就是散热。而洛克希德·马丁开发的“太空篱笆”特意设计了数字发射和接收线性可替换单元（LRU），LRU位于冷板侧面，给GaN高功率放大器提供一个有效和直接的散热通道。

2、器件异质集成

器件异质集成：为了集成更高散热材料，比如金刚石，以及与成熟硅基CMOS技术结合，DARPA 对DAHI（Diverse Accessible Heterogeneous Integration）制造项目进行立项支持，项目成员汇集诺格公司、格罗方德半导体公司、HRL实验室和Nuvotronics公司等：每个公司提供自己最熟悉的产品和技术，汇集到其中某个芯片制造厂，实现集成和最大程度的性能优势“强强联合”。比如硅基化合物半导体材料（COSMOS）项目通过将InP异质结双极晶体管（HBT）与亚微米硅基CMOS实现异质集成，诺格公司提供InP技术、格罗方德半导体公司提供硅基CMOS原料、HRL实验室提供GaN、Nuvotronics公司提供3D波导架构的高Q值无源滤波器，诺格公司提供集成制造设计包，将这些材料和器件汇集到诺格的芯片制造厂进行制造。前述的第三代半导体器件可与硅基低成本、高集成度、高复杂度的数字和模拟混合电路模块，以及高效散热衬底，异质集成一个完整的2~3维集成电路，充分发挥各种材料、器件与结构的优势。