廖复疆：真空电子技术发展前沿

来源：中国电子学会

 编者按：

       廖复疆先生为中国电子学会会士、中电科第十二研究所研究员，2018年10月因病逝世，享年81岁。

       廖复疆先生曾任中国电子学会第五、六、七届理事会理事，真空电子学分会第五、六届常务副主任委员，《电子学报》编委会副主任委员，长期从事真空电子学研究，为我国真空电子学事业的发展作出了重要贡献。

       此文为廖复疆先生生前给电子学会撰写的最后一篇稿件。值此清明之际，特摘要发布，以纪念廖复疆先生对真空电子学事业的追求和热爱。

真空电子技术发展前沿

廖复疆 蔡  军

(中国电子科技集团公司第十二研究所, 北京 100015)

 一、背景和定义

1906年发明的电子管是人类信息系统和产业的发源地，1958年之前，它是唯一可用的电子器件，是广播、通信、雷达探测、计算机和信息处理、摄像、显示、工业加热、医疗电子等社会生活的各个领域不可或缺的核心器件。1947年发明的半导体器件，特别是1970年代以后，逐步取代了电子管在低频和信息处理领域的应用，使电子管只保留了微波功率放大器在雷达、通信、电子战和精确制导武器方面的应用。近十年来，GaN和GaAs器件在X波段批量制造技术上取得突破，在有源相控阵雷达系统上取得应用，因此，半导体器件制造方的科研和管理人员设定目标，要完全取代行波管在军事装备和通信系统中的应用。事实上，要打赢一场高技术局部战争，离开了大功率电子管这一核心器件的装备是不可能的。鉴于1991年海湾战争的教训，早在2001年，美国国防部先进计划管理局（DARPA）和美国海军实验室就提出了真空电子器件和微电子器件的平衡发展战略，两者不能偏废。他们同时指出现役装备的20万支真空电子器件要服役至2050年。当然这些器件技术还在不断地发展和改进。1991年海湾战争的教训是，1970年代美国国防部曾经停止了向真空电子器件研究的资助，全部转向微电子器件。但是微电子器件的功率输出并没有取得预期的进展，而真空电子器件在没有国防部资助情况下，仍然使器件输出功率每两年翻一翻。1991年海湾战争中90%的微波功率是从真空电子器件发射的，使美国的新军事战略得以实现。因此，美国国防部认识到，必须继续加强对真空电子器件的基础研究。

微电子器件，包括GaN和GaAs器件在大量采用之后，逐渐暴露出存在的问题。首先是影响半导体器件制造线宽的Moore定律已经接近极限，而半导体器件还没有找到合适的材料和器件代替现有的硅、GaN和GaAs器件；其次是数字处理的半导体器件在空间承受不住辐射带来的失效；第三是半导体器件采用低电压和大电流工作，使供电电缆因高温而带来许多安全问题；它把器件的重量是减轻了，但把重量转移至电源车上，同样给装备带来超重和转移困难；第四是微电子在Ka波段以上频率，由于工作原理的限制，无法提高器件的输出功率和效率，不能满足下一代移动通信发展中对大功率的需要；2014年DARPA要求微电子器件于2016年提供70 GHz，输出功率20W的功率放大器，至今都未能达到，使军方不得不采用70GHz的行波管进行空中通信试验，实现了100GB/s高速通信速率，达到2030年计划指标；第五是最高工作温度的限制，使半导体功率器件每年损坏10%。虽然系统还可以工作，但给装备的维修带来沉重的负担。

近十年来，DARPA一直在推动真空电子器件的基础研究，2015年发布了真空电子学创新计划（INVEST）和 具有压倒性优势的真空电子高功率放大器（HAVOC），两项计划各投资4000万美元，5年内，研制出新概念的新型真空电子器件。真空电子器件目前仍然是打赢一场高技术局部战争的核心器件，美国主战装备中，采用真空器件的EA-2、EA-3、EA-8三种预警机、宙斯顿巡洋舰和爱国者导弹系统都在服役；俄罗斯采用真空器件的27、苏-35歼击机、S-300、S-400和S-500导弹系统都是目前国际一流的武器系统。

因此，人们自然要问，下一步真空电子技术将如何发展？我们认为，真空电子技术的发展可以概括为：一种准备、两个平台、五个技术发展前沿。针对高速通信对高工作频率和宽带宽的需求和下一代移动通信发展的需要，发展20-40GHz和 70GHz以上小型化行波管批量制造技术，同时发展五个方面的前沿技术，即太赫兹器件与系统、纳米真空沟道三极管技术、真空电子的微加工制造与微波光子学技术、大功率器件技术和医疗电子器件与系统技术。

 二、技术发展方向、内容和特点

1.一种准备:不断改进现有真空电子器件的性能、提升其可靠性和寿命。空间行波管寿命已经达到20年以上。因此地面和空中设备应用的真空电子器件寿命也要大幅提升。要方便维修，降低费用，还要实现真空电子器件在有源相控阵系统中的应用。真空和微电子器件在装备的应用中是一种互补关系，不存在替代问题。真空器件主要应用在Ka波段以上的频域，这是固态器件难以提供功率和提升效率的频域。

2.两个平台：建立Ka（20-40GHz）和E(70GHz)波段两个批量化、小型化、线性行波管产品平台，以满足高速通信系统和下一代高速移动通信系统的要求。研究内容包括行波管的线性化；E波段行波管输出功率大于70W，效率大于40%；结构简化，便于实现百万支以上批量制造。同样，行波管结构简化以后，也可以达到自动智能制造，实现产品的一致性、可换性和低成本。

3.五个技术发展前沿。五个技术发展前沿是①太赫兹器件与系统，100 、220、850GHz太赫兹器件与系统需要的技术；②纳米真空沟道三极管技术；③真空电子的微加工制造与微波光子学技术；④大功率器件技术；⑤医疗电子器件与系统技术。

①太赫兹器件与系统，100 、220、850GHz太赫兹器件与系统需要的器件和技术。真空电子是唯一能在这些频段提供大功率、高效率输出的技术。主要应用是太赫兹雷达系统、精确气象探测系统、合成孔径雷达系统（ViSAR）、防撞系统和安检系统。需要研究的内容是高频慢波电路、电子枪、和微加工制造技术。

②纳米真空沟道三极管技术。目前半导体器件还没有找到可替换现有的硅、GaN、GaAs器件的材料。2012年NASA和匹茨堡大学的科学家提出了纳米真空沟道三极管的概念，被美国物理学会赞扬为使真空电子技术回归信息社会的创举。采用场致发射技术的垂直微型纳米三极管和平面型纳米三极管都已经制造出来；美国还制造了金刚石纳米三极管，截至频率均可达到100GHz以上，甚至可达1THz。纳米真空沟道三极管的好处是电子在真空中弹道传输，其速度可接近光速3×1010cm/s。而半导体载流子的饱和迁移率只有107cm/s。比电子在真空中的速度低3个数量级，意味着这种器件在信息处理速度上比传统的微电子器件要快得多。该器件的研制已经开始，预计十年后可能形成微电子、真空电子和光电子融合的新型集成电路器件和组件。

③真空电子的微加工制造与微波光子学技术。随着工作频率进入100GHz以上，真空电子器件的制造方法必须采用微加工制造。美国海军实验室、L-3公司、诺斯卢普-格鲁曼公司都已经构建了100GHz、220GHz和太赫兹行波管制造平台。我国中国电子科技集团公司第十二研究所也构建了高频率行波管制造平台与技术。最近出现的半导体二维电子气（2DEG）向真空发射电子的技术，有望形成一种新的电子源。利用这种电子源，我们可以构建新型光电行波管，为下一代光雷达、光通信技术发展准备好新的核心器件，同时实现快速的光信息处理。

④大功率器件技术。MW级和GW级大功率输出器件是真空电子器件的优势所在。在军事上，这些器件可用作高功率微波武器，如美国空军发展的CHAMP巡航弹，用于摧毁敌方的信息设施。回旋管和速调管也都是可以提供MW级和GW级大功率输出的器件。速调管的工作频率已经提高到X波段以上，可用于构建电子对撞机等大型科研装置；回旋管将应用于可控热核反应新能源研究装置，我国已加入国际ITER计划，这种装置有望实现无核辐射的新能源。

⑤医疗电子器件与系统技术。发展双焦点X光管、低能电子加速器、医用磁控管等智慧医疗系统急需的真空电子器件与系统，扭转完全依赖进口的4000亿医疗电子设备市场分配，确保我国医保体系的建设，保护人民健康。