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?cè)?a href="http://www.1cnz.cn/tags/氮化鎵/" target="_blank">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(cè)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(cè)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(duì)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(lái)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(lái)在長(zhǎng)距離無(wú)線電波應(yīng)用(如雷達(dá)和無(wú)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(dòng)通信(5G)的毫米波段無(wú)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(wú)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(cè)范圍以及更長(zhǎng)距離和更高容量的通信。
自21世紀(jì)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(wú)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(duì)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(dòng)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(dòng)能的增加,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為1cm,這將對(duì)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(cè)試中測(cè)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(lái)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)系統(tǒng)等應(yīng)用(包括天氣雷達(dá))和2020財(cái)年的5G無(wú)線通信系統(tǒng)。
資金來(lái)源
該研究得到了日本國(guó)防部采購(gòu)、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。
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原文標(biāo)題:氮化鎵|日本富士通公司采用AlGaN間隔層和InAlGaN阻擋層,將GaN HEMT的輸出功率提高到19.9W / mm柵寬
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