近日，日本富士通有限公司和富士通實(shí)驗(yàn)室有限公司宣布，他們在氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）中開發(fā)出一種可以增加電流和電壓的晶體結(jié)構(gòu)，有效地將微波頻帶中發(fā)射器用晶體管的輸出功率增加三倍。

GaN HEMT技術(shù)可以作為天氣雷達(dá)等設(shè)備的功率放大器-通過將新技術(shù)應(yīng)用于該地區(qū)，預(yù)計(jì)雷達(dá)的觀測范圍將擴(kuò)大2.3倍，從而能夠及早發(fā)現(xiàn)積雨云可能發(fā)展成暴雨的云。

為了擴(kuò)大雷達(dá)等設(shè)備的觀測范圍，必須增加功率放大器中使用的晶體管的輸出功率。然而，對于傳統(tǒng)技術(shù)，施加高電壓可能容易損壞晶體管的晶體。因此，技術(shù)上難以同時(shí)增加電流和電壓，這是實(shí)現(xiàn)高輸出功率GaN HEMT所需的。

富士通和富士通實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)已開發(fā)出一種晶體結(jié)構(gòu)，通過將施加的電壓分散到晶體管來改善工作電壓，防止晶體損壞。該技術(shù)使富士通能夠使用氮化銦鋁（InAlGaN）阻擋層實(shí)現(xiàn)GaN HEMT的每毫米柵極寬度19.9瓦的記錄功率密度。

發(fā)展背景

除了近年來在長距離無線電波應(yīng)用（如雷達(dá)和無線通信）中廣泛使用的高頻功率放大器之外，GaN HEMT還有望用于天氣雷達(dá)，以準(zhǔn)確地觀察局部暴雨，以及用于第五代移動通信（5G）的毫米波段無線通信。通過增加用于發(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)和無線通信的微波和毫米波波段的微波傳播。這允許擴(kuò)展雷達(dá)觀測范圍以及更長距離和更高容量的通信。

自21世紀(jì)初以來，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)域的鋁鎵氮（AlGaN）HEMT。最近，它一直在研究銦鋁鎵氮（InAlGaN）HEMT作為新一代GaN HEMT技術(shù)，當(dāng)高密度電子變得可用時(shí)，它能夠?qū)崿F(xiàn)高電流操作。因此，富士通和富士通實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開發(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)。

存在問題

為了提高晶體管的輸出功率，必須實(shí)現(xiàn)高電流和高電壓操作。正在研究用于下一代GaN HEMT的InAlGaN HEMT，這將有助于增加電流，因?yàn)镮nAlGaN HEMT可以增加晶體管內(nèi)的電子密度。然而，當(dāng)施加高電壓時(shí)，過量的電壓集中在電子供給層的一部分上，損壞晶體管內(nèi)的晶體。因此，這些晶體管存在一個(gè)嚴(yán)重的問題，即它們的工作電壓無法增加（下圖）。

圖1：晶體損傷的機(jī)理和新的晶體結(jié)構(gòu)。

新開發(fā)的技術(shù)

富士通和富士通實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種晶體管，通過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。

對于傳統(tǒng)的InAlGaN HEMT，柵極和漏極之間的所有施加電壓都施加到電子供給層，并且在電子供給層中產(chǎn)生許多具有高動能的電子。這些隨后猛烈撞擊包含晶體結(jié)構(gòu)的原子，造成損害。由于這種現(xiàn)象，晶體管的最大工作電壓受到限制。

通過插入新開發(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間隔層兩者上。通過降低電壓濃度，可以抑制晶體內(nèi)電子動能的增加，并且可以防止對電子供給層的損壞，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為1cm，這將對應(yīng)于超過300,000V。

圖2：新型GaN HEMT晶體管結(jié)構(gòu)以及輸出功率與傳統(tǒng)技術(shù)的比較。

試驗(yàn)效果

除了富士通和富士通實(shí)驗(yàn)室將這種新的AlGaN間隔層插入InAlGaN HEMT以實(shí)現(xiàn)高電流和高電壓工作外，通過應(yīng)用富士通于2017年開發(fā)的單晶金剛石襯底鍵合技術(shù)，晶體管內(nèi)的發(fā)熱可以是通過金剛石基板有效散發(fā)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的操作。當(dāng)在實(shí)際測試中測量具有這種晶體結(jié)構(gòu)的GaN HEMT時(shí)，它們實(shí)現(xiàn)了19.9W / mm柵極寬度的記錄輸出功率（比常規(guī)AlGaN / GaN HEMT的輸出功率高三倍）。

未來計(jì)劃

富士通和富士通實(shí)驗(yàn)室將對使用該技術(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)系統(tǒng)等應(yīng)用（包括天氣雷達(dá)）和2020財(cái)年的5G無線通信系統(tǒng)。

資金來源

該研究得到了日本國防部采購、技術(shù)和后勤局（ATLA）設(shè)立的創(chuàng)新科技安全項(xiàng)目的部分支持。