富士通有限公司和富士通實驗室有限公司宣布他們已經(jīng)開發(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，通過應(yīng)用此技術(shù)在該領(lǐng)域，預(yù)計雷達(dá)的探測范圍將擴(kuò)大2.3倍，能夠在早期探測到可以發(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。

　　富士通和富士通實驗室現(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，從而防止晶體損壞(專利申請中)。這項技術(shù)使富士利用銦-鋁-氮化鎵(InAlGaN)阻擋層，以19.9W/mm柵寬通成功實現(xiàn)世界上最高功率密度晶體管。

　　這項研究得到了由日本國防部的采購、技術(shù)和后勤署(ATLA)建立的安全創(chuàng)新科技計劃的部分支持。

　　這項技術(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)體晶體生長的國際研討會(ISGN-7)上首次公布。

　　發(fā)展背景

　　近年來，GaN HEMT已廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程無線電波應(yīng)用中的高頻功率放大器，例如雷達(dá)和無線通信。預(yù)計它將用于準(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輻射。這允許擴(kuò)展的雷達(dá)探測范圍以及更長距離和更高容量的通信。

　　自2000年初以來，富士通實驗室一直在進(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，富士通實驗室一直在研究銦-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，它可以實現(xiàn)高電流操作。因此，富士通和富士通實驗室已經(jīng)開發(fā)出一種同時實現(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，過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)重的問題，因此工作電壓不能持續(xù)增加。

　　新技術(shù)開發(fā)

　　富士通和富士通實驗室已經(jīng)成功開發(fā)出一種晶體管，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。

　　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)生許多具有高動能的電子。

　　隨后，這些電子會猛烈地撞擊構(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間隔層上。通過降低電壓密度，可以抑制晶體內(nèi)電子動能增加，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是1cm，則操作電壓對應(yīng)于超過300,000V。

　　效果

　　通過在InAlGaN HEMT中插入這種新開發(fā)的AlGaN間隔層，富士通和富士通實驗室已經(jīng)實現(xiàn)了高電流和高電壓操作，這是傳統(tǒng)上難以實現(xiàn)的。

　　此外，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)熱可以通過金剛石襯底有效地散發(fā)，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

　　在實際測試中具有這種晶體結(jié)構(gòu)的GaN HEMT時，成功地實現(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。

　　未來的計劃

　　富士通和富士通實驗室將對使用該技術(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)等應(yīng)用系統(tǒng)，包括氣象雷達(dá)和5G無線通信系統(tǒng)。