Fujitsu Limited och Fujitsu Laboratories Ltd. meddelade idag att de har utvecklat en kristallstruktur som både ökar ström och spänning i galliumnitrid (GaN) transistorer med hög elektronmobilitet (HEMT), effektivt tredubbla uteffekten för transistorer som används för sändare i mikrovågsbandet. GaN HEMT -teknik kan fungera som en effektförstärkare för utrustning som väderradar. Genom att tillämpa den nya tekniken på detta område, det förväntas att radarens observationsområde kommer att utökas med 2,3 gånger, möjliggör tidig upptäckt av cumulonimbusmoln som kan utvecklas till kraftiga regnskurar.

För att utöka observationsområdet för utrustning som radar, det är viktigt att öka uteffekten för transistorerna som används i effektförstärkare. Med konventionell teknik, dock, applicering av högspänning kan lätt skada kristallerna som utgör en transistor. Därför, det var tekniskt svårt att öka ström och spänning samtidigt, som krävs för att realisera GaN HEMTs med hög effekt.

Fujitsu och Fujitsu Laboratories har nu utvecklat en kristallstruktur som förbättrar driftsspänningen genom att sprida den applicerade spänningen till transistorn, och förhindrar därigenom kristallskador (patentsökt). Denna teknik har gjort det möjligt för Fujitsu att framgångsrikt uppnå världens högsta effekttäthet med 19,9 watt per millimeter portbredd för GaN HEMT med indium-aluminium-galliumnitrid (InAlGaN) barriärskikt.

Denna forskning stöddes delvis av Innovative Science and Technology Initiative for Security, upprättad genom förvärvet, Technology &Logistics Agency (ATLA) från det japanska försvarsministeriet. Detaljer om denna teknik kommer att tillkännages på International Symposium on Growth of III-Nitrides (ISGN-7), en internationell konferens om nitridhalvledarkristalltillväxt, hölls i Warszawa, Polen, från 5-10 augusti.

Utvecklingsbakgrund

GaN HEMTs har använts i stor utsträckning som högfrekventa effektförstärkare i långväga radiovågstillämpningar, såsom radar och trådlös kommunikation. Det förväntas också att de kommer att användas för väderradar för att noggrant observera lokalregnskuror, såväl som i millimetervågs trådlös kommunikation för femte generationens mobilkommunikation (5G). Räckvidden för mikrovågor från mikrovågs- ​​och millimetervågsband som används för radar och trådlös kommunikation kan utökas genom att öka uteffekten för högfrekventa GaN HEMT-effektförstärkare som används för sändare. Detta möjliggör utökat radarobservationsområde såväl som längre avstånd och kommunikation med högre kapacitet.

Fujitsu Laboratories har forskat om GaN HEMT sedan början av 2000 -talet, och tillhandahåller för närvarande aluminium-galliumnitrid (AlGaN) HEMT som används inom en mängd olika områden. Nyligen, Fujitsu Laboratories har forskat på indium-aluminium-galliumnitrid (InAlGaN) HEMT som en ny generation GaN HEMT-teknik, vilket möjliggör hög strömdrift när elektroner med hög densitet blir tillgängliga. Följaktligen, Fujitsu och Fujitsu Laboratories har utvecklat en kristallstruktur som uppnår både hög ström och hög spänning samtidigt.

För att förbättra transistorns uteffekt, det krävs för att realisera både högström och högspänningsdrift. Forskning pågår för indium-aluminium-galliumnitrid (InAlGaN) HEMT för nästa generations GaN HEMT som skulle bidra till ökad ström, som InAlGaN HEMT kan öka elektrontätheten i transistorn. När högspänning appliceras, dock, en alltför stor spänning koncentreras till en del av elektronmatningsskiktet, skadar kristallerna i transistorer. Följaktligen, dessa transistorer hade ett allvarligt problem där deras spänning inte kunde ökas [Figur 1].

Fujitsu och Fujitsu Laboratories har lyckats utveckla en transistor som kan ge både hög ström och hög spänning genom att sätta in ett högresistent AlGaN-distanslager mellan elektronförsörjningsskiktet och elektronkanalskiktet.

För konventionella InAlGaN HEMT, all applicerad spänning mellan grind- och avloppselektroderna applicerades på elektronmatningslagret, och många elektroner med hög kinetisk energi genererades i elektronförsörjningsskiktet. Senare, dessa elektroner skulle våldsamt träffa de atomer som utgör kristallstrukturen, orsakar skada. Som ett resultat av detta fenomen, det fanns en gräns för transistorns maximala spänning.

Genom att sätta in det nyutvecklade högresistenta AlGaN-distanslagret, spänningen i transistorn kan dispergeras över både elektronförsörjningsskiktet och AlGaN -distanslagret. Genom att minska spänningskoncentrationen, ökningen av kinetisk energi för elektronerna i kristallen undertrycks och skador på elektronförsörjningsskiktet kan förhindras, vilket leder till en förbättrad driftspänning på upp till 100 volt. Denna driftspänning motsvarar över 300, 000 volt om avståndet mellan källelektroden och grindelektroden är en centimeter.

Effekter

Genom att infoga detta nyutvecklade AlGaN -distanslager i InAlGaN HEMTs, Fujitsu och Fujitsu Laboratories har uppnått både högström och högspänningsdrift, vilket konventionellt var svårt att uppnå. Vidare, genom att tillämpa den enkristalliga diamantsubstratbindningstekniken som Fujitsu utvecklade 2017, värmeproduktionen i transistorn kan effektivt spridas genom diamantsubstrat, möjliggör stabil drift. När GaN HEMTs med denna kristallstruktur mättes i faktiska tester, de uppnådde framgångsrikt världens högsta uteffekt på 19,9 watt per millimeter portbredd, vilket är tre gånger högre än uteffekten för konventionella AlGaN/GaN HEMT.

Fujitsu och Fujitsu Laboratories kommer att göra en utvärdering av värmebeständigheten och uteffekten hos GaN HEMT -effektförstärkare med denna teknik, med målet att kommersialisera hög uteffekt, högfrekventa GaN HEMT -effektförstärkare för användning i applikationer som radarsystem, inklusive väderradar, och trådlösa 5G -kommunikationssystem fram till 2020.