DARPA微系統(tǒng)技術(shù)將雷達(dá)探測范圍提高2到3倍

雷達(dá)作為20世紀(jì)人類在電子工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重大發(fā)明，發(fā)展至今，其軍事和民用用途非常廣泛，而且范圍幾乎每天都在擴(kuò)大。無論是用于導(dǎo)航、控制空中交通、跟蹤天氣模式、執(zhí)行搜救任務(wù)、繪制地形圖，還是無數(shù)其他功能，雷達(dá)技術(shù)都在不斷進(jìn)步。基于射頻（RF）系統(tǒng)工作原理，雷達(dá)的能力取決于在保持信號強(qiáng)度的同時(shí)進(jìn)行長距離感知和通信的能力。強(qiáng)大的射頻信號能力擴(kuò)展了關(guān)鍵任務(wù)的通信和態(tài)勢感知，但加強(qiáng)射頻輸出的微電子技術(shù)，特別是高功率密度晶體管必須克服熱限制，才能以更可靠和顯著的高容量運(yùn)行。

當(dāng)前，射頻系統(tǒng)的運(yùn)行效能遠(yuǎn)低于電子容量的極限，僅僅是因?yàn)槭艿阶鳛樯漕l放大器基本構(gòu)件的晶體管變得太熱的限制。為此，美國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）在11月24日宣布推出“器件級電子散熱技術(shù)”（THREADS），針對晶體管層面的熱管理挑戰(zhàn)，尋求利用新的材料和方法來擴(kuò)散降低器件性能和任務(wù)壽命的熱量。THREADS項(xiàng)目旨在克服一般內(nèi)部電路操作固有的熱限制，特別是關(guān)鍵的功率放大功能。

根據(jù)DARPA同期發(fā)布的廣泛機(jī)構(gòu)公告，THREADS項(xiàng)目的核心是在不降低器件性能或不增加晶體管所占面積的情況下，減少內(nèi)部散熱所涉及的熱阻，這對提高雷達(dá)能力至關(guān)重要。為此，THREADS在克服熱限制方面的工作可以幫助實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的、高功率密度的晶體管，這些晶體管在其基本電子極限附近工作，在放大射頻輸出功率方面達(dá)到新的水平。

據(jù)DARPA微系統(tǒng)技術(shù)辦公室（MTO）負(fù)責(zé)THREADS的項(xiàng)目經(jīng)理托馬斯·卡齊爾（Thomas Kazior）介紹：“寬禁帶晶體管，如氮化鎵（GaN），是專門為提高功率放大器的輸出密度而開發(fā)的。與上一代晶體管技術(shù)相比，GaN確實(shí)有超過5倍（性能指標(biāo)）的改進(jìn)。我們還知道，GaN的功率輸出有可能進(jìn)一步提高一個數(shù)量級，但由于廢熱過高，在當(dāng)前無法實(shí)現(xiàn)持續(xù)運(yùn)行。如果我們能夠做好散熱問題，我們就可以提高放大器的功率，增加雷達(dá)的威力范圍。如果該項(xiàng)目成功，我們將把雷達(dá)的探測范圍提高2到3倍?！?/p>

一、項(xiàng)目背景

雷達(dá)和通信系統(tǒng)在軍事和商業(yè)應(yīng)用中都是無處不在的。這些系統(tǒng)的性能取決于接收器上可實(shí)現(xiàn)的信噪比（S/N），它與發(fā)射器的射頻輸出功率成正比。在國防部（DoD）平臺上，射頻孔徑的大小往往是有限的，因此，改善系統(tǒng)性能（如增加雷達(dá)或通信系統(tǒng)的范圍）的唯一實(shí)用方法是增加發(fā)射器功率放大器（PA）的射頻輸出功率。后者與功率放大器晶體管的輸出功率密度（即晶體管輸出功率除以晶體管外圍寬度）直接成正比。

當(dāng)前，在國防部射頻發(fā)射器中實(shí)現(xiàn)的工作輸出功率密度受到熱限制，大大低于理論上的電子限制值。寬禁帶（WBG）晶體管，如氮化鎵（GaN），是專門為提高功率放大器的輸出功率密度而開發(fā)的。事實(shí)上，與上一代晶體管技術(shù)砷化鎵（GaAs）相比，GaN的射頻功率輸出（Pout）提高了5倍。但是，雖然眾所周知GaN有可能進(jìn)一步提高Pout的數(shù)量級，但由于晶體管通道層的廢熱過高，這在當(dāng)前的持續(xù)運(yùn)行中無法實(shí)現(xiàn)。由于GaN晶體管的直流-射頻（DC-to-RF）轉(zhuǎn)換效率低于1（例如，在X波段為60%），因此產(chǎn)生的廢熱導(dǎo)致通道溫度升高（見圖1），并導(dǎo)致晶體管的性能和壽命迅速下降（通道溫度每升高10℃，器件壽命就減少一半）。如圖1所示，GaN安全運(yùn)行的最高通道溫度為225℃。

圖1. GaN晶體管技術(shù)的壽命限制

雖然GaN晶體管已被驗(yàn)證可以在脈沖模式下以高功率(Pout=40 W/mm)運(yùn)行，但在PA中以實(shí)際波形(長脈寬、約30%的占空比)運(yùn)行這些器件將導(dǎo)致不可接受的高通道溫度(>450℃，相當(dāng)于晶體管壽命減少五個數(shù)量級)。要實(shí)現(xiàn)接近GaN基本電子極限的晶體管輸出功率，同時(shí)將通道溫度保持在標(biāo)稱的最高溫度（225℃）以下，需要大幅降低晶體管的熱阻（以改善通道的散熱），同時(shí)保持WBG半導(dǎo)體的優(yōu)異電子特性。

通過投資先前的項(xiàng)目，如“動態(tài)范圍增強(qiáng)電子和材料”（DREaM），DARPA已經(jīng)成功地提高了晶體管的功率密度，并催生了業(yè)界對熱耗散的更大關(guān)注。另一方面，“近結(jié)點(diǎn)熱傳輸”（NJTT）和“片內(nèi)/片間增強(qiáng)冷卻”（ICECool）項(xiàng)目通過采用高導(dǎo)熱基板（如鉆石上的GaN）以及微流體冷卻背板提供器件級冷卻，以便在高功率密度下緩和通道溫度。雖然很有希望，但NJTT僅僅使功率密度增加了3倍，而且沒有改善GaN晶體管外延層堆疊的熱阻，也沒有改善與金剛石襯底之間的界面。

相比之下，THREADS將側(cè)重于通過減少晶體管的熱阻來實(shí)現(xiàn)高功率密度，包括內(nèi)在設(shè)備內(nèi)部和外部，如圖2所示。在這個例子中，本征器件由外延層堆棧和單獨(dú)的柵極指組成，而外征（即本征外部）器件由多指晶體管組成，包括柵極、漏極和源極指、墊子和總線。外在器件包括內(nèi)在器件旁邊的熱擴(kuò)散層或結(jié)構(gòu)。器件的綜合熱阻被建模為內(nèi)在（內(nèi)部）和外在（外部）熱阻的平行組合。

圖2：（左）外部和（右）內(nèi)部器件區(qū)域的示意布局和橫截面。柵指上的紅色區(qū)域表示產(chǎn)生廢熱的區(qū)域。

特別是，THREAD將解決以下兩個關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)（TC）。

TC 1：減少器件內(nèi)的熱阻，同時(shí)保持良好的通道電流傳輸特性。

目前，晶體管外延層設(shè)計(jì)被優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)良好的通道電流傳輸特性（例如，GaN HEMT電子遷移率>1500 cm2/V-s），因?yàn)檫@是PA中高Pout和高效率的一個關(guān)鍵要求。最先進(jìn)的（SoA）方法通過專注于減少通道缺陷密度的外延層設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)這種遷移率。特別是，GaN晶體管生長在SiC或其他異質(zhì)襯底上，需要成核層和通道與襯底之間的厚緩沖層，以實(shí)現(xiàn)高電子遷移率。但是這些層本質(zhì)上增加了熱阻，這在很大程度上是由于層間的熱邊界電阻（TBR）抑制了不同材料間的熱流。例如，GaN緩沖器和SiC襯底之間的大TBR已被證明可使通道峰值溫度增加100℃以上。因此，一個典型的SOA硅基GaN晶體管的熱阻比襯底的SiC襯底高3倍。

TC 2：在不降低射頻性能的情況下，更有效地將熱量從高功率晶體管上遷移開。散熱是指將晶體管產(chǎn)生的廢氣從晶體管通道的“熱點(diǎn)”處傳導(dǎo)出去的方法。通常使用兩種方法。

1.在多指晶體管單元中增加?xùn)艠O間距，將廢熱擴(kuò)散到更大的區(qū)域，減少熱阻和熱點(diǎn)溫度。將柵極間距從20微米增加到60微米，可將熱阻減少2倍，從20°C-mm/W減少到10°C-mm/W，但功率密度會相應(yīng)降低。

2.熱通孔提供了一條平行的路徑，將廢熱從通道傳播到背面的散熱器，減少了20%的熱阻，盡管由于熱通孔不在晶體管熱點(diǎn)附近而降低了熱傳導(dǎo)效率。

這兩種方法都需要增加多指晶體管的占地面積，從而增加寄生電阻和電容，導(dǎo)致晶體管增益和效率下降。因此，有必要采取在不降低射頻性能的情況下增加熱擴(kuò)散的方法。

二、項(xiàng)目描述

THREADS項(xiàng)目旨在開發(fā)克服晶體管熱限制的技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的高功率密度器件，在其基本電子極限的無線電頻率（RF）輸出功率附近運(yùn)行。具體來說，THREADS計(jì)劃將驗(yàn)證：

-高效率、X波段（8-12GHz）晶體管和PA測試工具，其輸出級晶體管的輸出功率密度為81W/mm。

-晶體管熱阻減少8倍（見下圖3）；

-可靠的操作，在225°C的通道溫度下，預(yù)測的平均故障時(shí)間（MTTF）為106小時(shí)（與當(dāng)前在約5 W/mm輸出功率密度下操作的生產(chǎn)型GaN相當(dāng)）。

如圖3所示，SoA器件的熱阻限制了寬禁帶晶體管以高功率密度運(yùn)行的能力。

圖3. THREADS輸出功率密度和熱阻目標(biāo)與典型的GaN和GaAs晶體管相比

DARPA最近在WBG和超寬帶隙（UWBG）半導(dǎo)體材料、熱界面工程和先進(jìn)的三維熱擴(kuò)散方面取得了重大的進(jìn)展。THREADS項(xiàng)目試圖將這些最新的見解應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)的亞微米晶體管幾何形狀，以減少晶體管的熱阻，并使其在高功率密度下工作，同時(shí)保持225°C的最大通道溫度。通過結(jié)合材料熱阻的改進(jìn)、新的晶體管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和熱擴(kuò)散層/結(jié)構(gòu)，THREADS項(xiàng)目將驗(yàn)證晶體管熱阻凈減少8倍。

TC 1：在保持良好的通道電流傳輸特性的同時(shí)，降低器件內(nèi)部的熱阻。

THREADS旨在減少內(nèi)在器件（外延層堆疊）的界面和薄膜熱阻。方法可能包括但不限于：

-新型成核和緩沖層生長過程，以減少基材-外延層（如GaN-SiC）界面的缺陷密度，并能使用薄緩沖層；

-聲子橋（例如，在異質(zhì)界面的受控缺陷整合；異質(zhì)界面的納米結(jié)構(gòu)技術(shù)；彈道熱注入；應(yīng)變增強(qiáng)的熱邊界傳導(dǎo)）；

-在外延生長過程中通過使用特定的同位素（如氮-15與氮-14）進(jìn)行聲子工程；

-梯度通道GaN HEMT，使電子在通道中均勻分布，以減少散射，降低電子溫度，并提高飽和速度；

-數(shù)字化的AlN/GaN合金，以增加通道禁帶，同時(shí)減少合金散射、通道/緩沖器熱阻和界面散射，降低熱邊界電阻；

-結(jié)合降低界面熱阻的方法，替代高導(dǎo)熱基底（如金剛石，10 AlN）。

-替代的高導(dǎo)熱緩沖層（如AlN）；

-同源外延生長（如AlN/AlN）。

TC 2：在不降低射頻性能的情況下，更有效地將熱量從大功率晶體管上遷移開。

THREADS試圖開發(fā)出分散廢熱和減少晶體管熱阻的方法，以保持通道溫度在225℃。方法可能包括但不限于：

-具有高導(dǎo)熱性（如金剛石、AlN、c-BN）和低熱邊界電阻且不降低射頻性能的頂部和/或嵌入式二維和三維冷卻結(jié)構(gòu)；

-新穎的柵極布局和多指晶體管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如分段柵極或環(huán)形HEMT，均勻、非均勻和蜂窩狀的幾何結(jié)構(gòu)，結(jié)合三維熱傳導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)和異質(zhì)材料集成，有效地傳播熱量，降低熱點(diǎn)峰值溫度。

DARPA預(yù)計(jì)THREADS提案可能會結(jié)合各種方法來解決TC1和TC2，從而使晶體管的熱阻總體減少8倍。例如，表層和熱界面的內(nèi)在熱阻的3倍改善（TC1）將需要額外減少由于設(shè)備熱改進(jìn)（TC2）而產(chǎn)生的外在熱阻的5倍（即3倍減少與5倍減少并行）。改變表層堆棧中的材料，使內(nèi)在熱阻有更大的減少（如4倍），只需要使用設(shè)備改進(jìn)，額外減少較小的（如4倍）外熱阻。提出的材料和器件的方法和理由由提案人決定，但必須達(dá)到或超過每個階段的晶體管熱阻降低目標(biāo)。

由于電和熱性能之間的潛在權(quán)衡，提案者應(yīng)結(jié)合電熱協(xié)同設(shè)計(jì)、建模和模擬來指導(dǎo)器件優(yōu)化。

除了減少晶體管熱阻的方法外，還可以提出減少高功率密度晶體管散熱量的方法（例如，通過提高晶體管效率，同時(shí)保持與基線器件相同的晶體管工作模式/類別，如AB類），只要提供明確的計(jì)算/模擬，表明提出的任何額外指標(biāo)/目標(biāo)與本BAA公布的指標(biāo)/目標(biāo)一致。然而，諸如外部封裝解決方案（如微流控/噴射撞擊冷卻、倒裝芯片等）和不成熟的半導(dǎo)體技術(shù)，如全鉆石晶體管，不符合本BAA的目標(biāo)。此外，DARPA鼓勵提案者開發(fā)可能適用于未來材料系統(tǒng)（如超寬帶半導(dǎo)體）的熱管理方法。最后，雖然THREADS晶體管和功率放大器測試工具的指標(biāo)設(shè)定在X波段頻率，但所提供的熱解決方案應(yīng)適用于廣泛的頻率范圍。DARPA鼓勵提案者討論他們的技術(shù)方法在多大程度上適用于在X波段以外的頻率工作的晶體管和功率放大器。

三、項(xiàng)目技術(shù)領(lǐng)域

THREADS項(xiàng)目有一個技術(shù)領(lǐng)域（TA），將重點(diǎn)解決兩個主要的技術(shù)挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)必須在其提案中解決這兩個技術(shù)挑戰(zhàn)，說明如何同時(shí)滿足所有的指標(biāo)。性能指標(biāo)在下方表1中規(guī)定。請注意，表1包括所需的提案者定義的內(nèi)在設(shè)備熱阻內(nèi)部和外部的指標(biāo)。

-第一階段（18個月）的目標(biāo)是在固有器件材料結(jié)構(gòu)內(nèi)（TC1）和固有器件熱擴(kuò)散結(jié)構(gòu)外（TC2）進(jìn)行開發(fā)，將晶體管熱阻降低2.5倍，并演示驗(yàn)證一個可靠、高效的射頻功率密度為25W/mm的功率放大器。

-第二階段（18個月）的目標(biāo)是在本征器件材料結(jié)構(gòu)（TC1）內(nèi)和本征器件熱擴(kuò)散結(jié)構(gòu)（TC2）外進(jìn)行優(yōu)化，將晶體管熱阻降低5倍，并演示驗(yàn)證一個可靠、高效的功率密度為50W/mm的功率放大器。

-第三階段（12個月）的目標(biāo)是擴(kuò)大第二階段的成果，演示驗(yàn)證強(qiáng)大的射頻晶體管和功率放大器，熱阻減少8倍，射頻輸出功率密度增加16倍（達(dá)到81瓦/毫米）。

DARPA希望將一個獨(dú)立的、由政府資助的驗(yàn)證和確認(rèn)（IV&V）團(tuán)隊(duì)納入該項(xiàng)目。為了確保特征分析的一致性，研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)與該IV&V團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)，并開發(fā)適當(dāng)?shù)臒釡y試結(jié)構(gòu)、多指晶體管單元和SEC。此外，研究團(tuán)隊(duì)還需要與IV&V團(tuán)隊(duì)合作，確定相關(guān)的熱學(xué)和電學(xué)計(jì)量技術(shù)，以表征這些測試結(jié)構(gòu)和設(shè)備。熱計(jì)量技術(shù)可能包括拉曼光譜、柵極電阻測溫、瞬時(shí)熱反射、穩(wěn)態(tài)熱反射（SSTR）、時(shí)域熱反射（TDTR）或頻域熱反射（FDTR）。表1的腳注7提供了一個多指晶體管單元和SEC設(shè)計(jì)和測量最低要求的例子。晶體管的穩(wěn)健性將使用在多個SEC上測量的1000小時(shí)射頻壓力測試進(jìn)行評估（表1的腳注8）。投標(biāo)者應(yīng)在其提案中提供詳細(xì)信息，說明他們計(jì)劃如何在本項(xiàng)目下開發(fā)和鑒定熱測試結(jié)構(gòu)、多指晶體管單元和SEC。

表1：THREADS項(xiàng)目指標(biāo)

1.在提案者定義的材料熱電阻率測試結(jié)構(gòu)上進(jìn)行測量，并采用提案者定義的測量方法【例如，時(shí)域熱反射（TDTR），微拉曼光譜】。測試結(jié)構(gòu)和測量方法應(yīng)與政府的IV&V團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)。熱阻是指從通道層到襯底的測量，包括通道層、緩沖層、襯底和接口的熱阻。通道遷移率>1000 cm2/V-s。

2.提案者根據(jù)其對成熟基線GaN器件定義的器件內(nèi)部熱阻指標(biāo)。并要求達(dá)到THREADS晶體管熱阻指標(biāo)。

3.在提案者定義的內(nèi)在器件熱阻外測試結(jié)構(gòu)上進(jìn)行測量，并采用提案者定義的測量方法。測試結(jié)構(gòu)和測量方法應(yīng)與政府的IV&V團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)。

4.根據(jù)提案者的方法，由提案者定義的內(nèi)在設(shè)備熱阻指標(biāo)之外，需要實(shí)現(xiàn)THREADS晶體管熱阻指標(biāo)。

5.使用提案者定義的晶體管熱阻測試結(jié)構(gòu)和提案者定義的測量方法對多指晶體管進(jìn)行測量。測試結(jié)構(gòu)和測量方法應(yīng)與政府IV&V團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)。熱阻測量從通道熱點(diǎn)到襯底，包括內(nèi)在器件（材料/epi堆棧）的熱阻（TC1）和內(nèi)在器件外部的熱擴(kuò)散熱阻（TC2）。

6.提案者根據(jù)其對成熟基線GaN器件技術(shù)定義熱阻值。

7.在多指晶體管單元和標(biāo)準(zhǔn)評估電路（SEC，如單級MMIC功率放大器測試工具）上測量的功率密度；最小總柵極周邊=600米（如6×100米），最大柵極間距為50米；峰值PAE時(shí)的Pout密度；10GHz時(shí)PAE>60%，帶寬20%；占空比30%；峰值通道溫度：225°C；在至少20個晶體管單元和SEC上測量的平均功率密度跨越至少2塊晶元。

8. 在SEC上測量了1000小時(shí)CW射頻壓力測試后Id、Pout的變化；SEC的Pout=25、50、81W/mm（分別為第1、2、3階段）和10GHz下的最大PAE，帶寬為20%，通道峰值溫度：225°C；在至少2個晶圓上的至少20個SEC上測量的穩(wěn)健性。

四、項(xiàng)目架構(gòu)、時(shí)間表與里程碑

THREADS是一個為期48個月的三階段項(xiàng)目，第一階段18個月（基礎(chǔ)），第二階段18個月（可選），第三階段12個月（可選），有一個技術(shù)領(lǐng)域。在第1階段和第2階段結(jié)束時(shí)，根據(jù)技術(shù)進(jìn)展和資金供應(yīng)情況，政府可自行決定行使期權(quán)。預(yù)計(jì)隨著選擇權(quán)的行使，研究團(tuán)隊(duì)的數(shù)量可能會減少，從而進(jìn)入該項(xiàng)目的第二和第三階段。

THREADS項(xiàng)目的架構(gòu)如圖4所示。THREADS預(yù)計(jì)在2023年8月開始。項(xiàng)目的啟動和季度審查會議或技術(shù)交流會議是強(qiáng)制性的，是與政府就項(xiàng)目中的工作、技術(shù)方法的細(xì)節(jié)以及任何技術(shù)或計(jì)劃中的關(guān)注項(xiàng)目進(jìn)行交流的機(jī)會。

圖4：THREADS項(xiàng)目架構(gòu)

研究團(tuán)隊(duì)將構(gòu)建一個研究計(jì)劃，以達(dá)到或超過指標(biāo)表中所列的所有指標(biāo)。該計(jì)劃應(yīng)包括：

-項(xiàng)目啟動會議，在弗吉尼亞州阿靈頓的項(xiàng)目開始時(shí)親自舉行；

-項(xiàng)目季度審查，可通過電話會議或由DARPA決定在研究團(tuán)隊(duì)所在地進(jìn)行；

-通過電話會議對電氣和熱測試結(jié)構(gòu)以及功率放大器（PA）測試工具/標(biāo)準(zhǔn)評估電路（SECs）進(jìn)行設(shè)計(jì)審查，包括電氣和熱測試計(jì)劃；

-在中期和末期交付適當(dāng)?shù)碾姎夂蜔釡y試結(jié)構(gòu)和功率放大器/標(biāo)準(zhǔn)評估電路，供政府獨(dú)立驗(yàn)證和確認(rèn)。

審核編輯：郭婷