Fujitsu tredobler udgangseffekten af ​​galliumnitridtransistorer

Fujitsu Limited og Fujitsu Laboratories Ltd. annoncerede i dag, at de har udviklet en krystalstruktur, der både øger strøm og spænding i gallium-nitrid (GaN) transistorer med høj elektronmobilitet (HEMT), effektivt tredobler udgangseffekten af ​​transistorer, der bruges til sendere i mikrobølgebåndet. GaN HEMT -teknologi kan fungere som en effektforstærker til udstyr såsom vejrradar. Ved at anvende den nye teknologi på dette område, det forventes, at radarens observationsområde vil blive udvidet med 2,3 gange, muliggør tidlig påvisning af cumulonimbus -skyer, der kan udvikle sig til voldsomme regnbyger.

For at udvide observationsområdet for udstyr som radar, det er vigtigt at øge udgangseffekten af ​​transistorer, der bruges i effektforstærkere. Med konventionel teknologi, imidlertid, anvendelse af højspænding kan let beskadige krystallerne, der sammensætter en transistor. Derfor, det var teknisk svært at øge strøm og spænding samtidigt, som er påkrævet for at realisere high-output power GaN HEMT'er.

Fujitsu og Fujitsu Laboratories har nu udviklet en krystalstruktur, der forbedrer driftsspændingen ved at sprede den påførte spænding til transistoren, og forhindrer derved krystalskader (patentanmeldt). Denne teknologi har gjort det muligt for Fujitsu med succes at opnå verdens højeste effekttæthed ved 19,9 watt per millimeter portbredde for GaN HEMT, der anvender indium-aluminium-galliumnitrid (InAlGaN) barrierelag.

Denne forskning blev delvist understøttet af Innovative Science and Technology Initiative for Security, oprettet ved erhvervelsen, Technology &Logistics Agency (ATLA) i det japanske forsvarsministerium. Detaljer om denne teknologi vil blive annonceret på International Symposium on Growth of III-Nitrides (ISGN-7), en international konference om nitridhalvlederkrystalvækst, afholdt i Warszawa, Polen, fra 5-10 august.

Udviklingsbaggrund

GaN HEMT'er har været meget udbredt som højfrekvente effektforstærkere i langdistance radiobølgeapplikationer, såsom radarer og trådløs kommunikation. Det forventes også, at de vil blive brugt til vejrradarer til nøjagtigt at observere lokaliseret voldsom nedbør, samt i millimeterbølgebånd trådløs kommunikation til femte generations mobilkommunikation (5G). Udbredelsen af ​​mikrobølger fra mikrobølge- og millimeterbølgebåndene, der bruges til radar og trådløs kommunikation, kan forlænges ved at øge udgangseffekten for højfrekvente GaN HEMT-effektforstærkere, der bruges til sender. Dette giver mulighed for udvidet radarobservationsområde samt længere afstand og kommunikation med højere kapacitet.

Fujitsu Laboratories har forsket i GaN HEMT siden begyndelsen af ​​2000'erne, og leverer i øjeblikket aluminium-galliumnitrid (AlGaN) HEMT'er, der bruges på en række områder. For nylig, Fujitsu Laboratories har forsket i indium-aluminium-galliumnitrid (InAlGaN) HEMT'er som en ny generation GaN HEMT-teknologi, hvilket muliggør høj strømdrift, efterhånden som elektroner med høj densitet bliver tilgængelige. Derfor, Fujitsu og Fujitsu Laboratories har udviklet en krystalstruktur, der opnår både høj strøm og høj spænding samtidigt.

For at forbedre transistorens udgangseffekt, det er påkrævet at realisere både højstrøm og højspændingsdrift. Forskning er i gang for indium-aluminium-galliumnitrid (InAlGaN) HEMT'er til den næste generation GaN HEMT, der ville bidrage til øget strøm, som InAlGaN HEMT'er kan øge elektrontætheden i transistoren. Når højspænding påføres, imidlertid, en for stor spænding koncentreres om en del af elektronforsyningslaget, beskadige krystallerne i transistorer. Følgelig, disse transistorer havde et alvorligt problem, hvorved deres driftsspænding ikke kunne øges [Figur 1].

Fujitsu og Fujitsu Laboratories er lykkedes med at udvikle en transistor, der kan levere både høj strøm og høj spænding ved at indsætte et højresistent AlGaN-afstandslag mellem elektronforsyningslaget og elektronkanallaget.

For konventionelle InAlGaN HEMT'er, al den påførte spænding mellem port- og afløbselektroderne blev påført elektronforsyningslaget, og talrige elektroner med høj kinetisk energi blev genereret i elektronforsyningslaget. Efterfølgende, disse elektroner ville voldsomt ramme de atomer, der udgør krystalstrukturen, forårsager skade. Som et resultat af dette fænomen, der var en grænse for transistorens maksimale driftsspænding.

Ved at indsætte det nyudviklede højresistente AlGaN-afstandslag, spændingen i transistoren kan dispergeres over både elektronforsyningslaget og AlGaN -afstandslag. Ved at dæmpe koncentrationen af ​​spænding, stigningen i kinetisk energi af elektronerne i krystallen undertrykkes, og skader på elektronforsyningslaget kan forhindres, hvilket fører til en forbedret driftsspænding på op til 100 volt. Denne driftsspænding svarer til over 300, 000 volt, hvis afstanden mellem kildeelektroden og gateelektroden er en centimeter.

Effekter

Ved at indsætte dette nyudviklede AlGaN -afstandslag i InAlGaN HEMT'er, Fujitsu og Fujitsu Laboratories har opnået både højstrøm og højspændingsdrift, hvilket konventionelt var svært at opnå. Desuden, ved at anvende single-crystal diamant substratbindingsteknologien, som Fujitsu udviklede i 2017, varmegenerering i transistoren kan effektivt spredes gennem diamantsubstrat, muliggør stabil drift. Når GaN HEMT'er med denne krystalstruktur blev målt i faktiske tests, de opnåede med succes verdens højeste udgangseffekt på 19,9 watt per millimeter portbredde, hvilket er tre gange højere end udgangseffekten for konventionelle AlGaN/GaN HEMT'er.

Fujitsu og Fujitsu Laboratories vil foretage en evaluering af varmebestandighed og outputydelse af GaN HEMT effektforstærkere ved hjælp af denne teknologi, med målet om kommercialisering af høj udgangseffekt, højfrekvente GaN HEMT effektforstærkere til brug i applikationer såsom radarsystemer, herunder vejrradar, og trådløse 5G -kommunikationssystemer inden regnskabsåret 2020.