富士通有限公司和富士通實(shí)驗(yàn)室有限公司宣布他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種晶體結(jié)構(gòu)，既可以增加氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)的電流和電壓，也可以用于微波頻段發(fā)射器并使輸出功率增加三倍。
GaN HEMT技術(shù)可以作為功率放大器應(yīng)用于氣象雷達(dá)等設(shè)備，通過(guò)應(yīng)用此技術(shù)在該領(lǐng)域，預(yù)計(jì)雷達(dá)的探測(cè)范圍將擴(kuò)大2.3倍，能夠在早期探測(cè)到可以發(fā)展成暴雨的積雨。
為擴(kuò)大雷達(dá)等設(shè)備的探測(cè)范圍，必須提高功率放大器中晶體管的輸出功率。然而，使用傳統(tǒng)技術(shù)，增加電壓很容易損壞構(gòu)成晶體管的晶體。因此，同時(shí)增加高輸出功率GaN HEMTs所必需的電流和電壓在技術(shù)上是比較困難的。
富士通和富士通實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出一種晶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)將施加的電壓分散到晶體管來(lái)改善工作電壓，從而防止晶體損壞(專利申請(qǐng)中)。這項(xiàng)技術(shù)使富士利用銦-鋁-氮化鎵(InAlGaN)阻擋層，以19.9W/mm柵寬通成功實(shí)現(xiàn)世界上最高功率密度晶體管。
這項(xiàng)研究得到了由日本國(guó)防部的采購(gòu)、技術(shù)和后勤署(ATLA)建立的安全創(chuàng)新科技計(jì)劃的部分支持。
這項(xiàng)技術(shù)的細(xì)節(jié)在8月5日至10日在波蘭華沙舉行的關(guān)于氮化物半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)的國(guó)際研討會(huì)(ISGN-7)上首次公布。
發(fā)展背景
近年來(lái)，GaN HEMT已廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程無(wú)線電波應(yīng)用中的高頻功率放大器，例如雷達(dá)和無(wú)線通信。預(yù)計(jì)它將用于準(zhǔn)確觀察局部暴雨的氣象雷達(dá)，以及用于第五代移動(dòng)通信(5G)的毫米波段無(wú)線通信。
通過(guò)增加用于發(fā)射機(jī)的高頻GaN HEMT功率放大器的輸出功率，可以擴(kuò)展用于雷達(dá)和無(wú)線通信的微波和毫米波波段的微波輻射。這允許擴(kuò)展的雷達(dá)探測(cè)范圍以及更長(zhǎng)距離和更高容量的通信。
自2000年初以來(lái)，富士通實(shí)驗(yàn)室一直在進(jìn)行GaN HEMT的研究，目前提供用于各種領(lǐng)域的鋁-氮化鎵(AlGaN)HEMT。
最近，富士通實(shí)驗(yàn)室一直在研究銦-鋁-氮化鎵(InAlGaN)HEMT作為新一代GaN HEMT的技術(shù)，當(dāng)高密度電子工作時(shí)，它可以實(shí)現(xiàn)高電流操作。因此，富士通和富士通實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)高電流和高電壓的晶體結(jié)構(gòu)。
研究困難
為了提高晶體管的輸出功率，需要實(shí)現(xiàn)高電流和高電壓操作。正在研究用于下一代GaN HEMT的銦-鋁-氮化鎵(InAlGaN)HEMT，可以增加晶體管內(nèi)的電子密度，其將有助于增加電流。
然而，當(dāng)施加高電壓時(shí)，過(guò)量的電壓集中在電子供給層部分，損壞晶體管內(nèi)的晶體。因此，這些晶體管存在嚴(yán)重的問(wèn)題，因此工作電壓不能持續(xù)增加。
新技術(shù)開(kāi)發(fā)
富士通和富士通實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出一種晶體管，通過(guò)在電子供給層和電子溝道層之間插入高阻AlGaN間隔層，可以提供高電流和高電壓。
傳統(tǒng)的InAlGaN HEMT，施加在柵極和漏極之間電壓都施加到電子供給層，并且在電子供給層中產(chǎn)生許多具有高動(dòng)能的電子。
隨后，這些電子會(huì)猛烈地撞擊構(gòu)成晶體結(jié)構(gòu)的原子，造成晶體損害。由于這種現(xiàn)象，晶體管的最大工作電壓受到限制。
通過(guò)插入新開(kāi)發(fā)的高電阻AlGaN間隔層，晶體管內(nèi)的電壓可以分散在電子供給層和AlGaN間隔層上。通過(guò)降低電壓密度，可以抑制晶體內(nèi)電子動(dòng)能增加，并且可以防止對(duì)電子供給層的損壞，從而提高高達(dá)100V的工作電壓。如果源電極和柵電極之間的距離是1cm，則操作電壓對(duì)應(yīng)于超過(guò)300,000V。
效果
通過(guò)在InAlGaN HEMT中插入這種新開(kāi)發(fā)的AlGaN間隔層，富士通和富士通實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高電流和高電壓操作，這是傳統(tǒng)上難以實(shí)現(xiàn)的。
此外，通過(guò)應(yīng)用富士通于2017年開(kāi)發(fā)的單晶金剛石襯底鍵合技術(shù)，晶體管內(nèi)的發(fā)熱可以通過(guò)金剛石襯底有效地散發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
在實(shí)際測(cè)試中具有這種晶體結(jié)構(gòu)的GaN HEMT時(shí)，成功地實(shí)現(xiàn)了每毫米柵極寬度19.9瓦的世界最高輸出功率，這是傳統(tǒng)AlGaN / GaN HEMT輸出功率的三倍。
未來(lái)的計(jì)劃
富士通和富士通實(shí)驗(yàn)室將對(duì)使用該技術(shù)的GaN HEMT功率放大器的耐熱性和輸出性能進(jìn)行評(píng)估，目標(biāo)是將高輸出功率，高頻GaN HEMT功率放大器商業(yè)化，用于雷達(dá)等應(yīng)用系統(tǒng)，包括氣象雷達(dá)和5G無(wú)線通信系統(tǒng)。
