富士通成功將GaN 輸出功率提高三倍,可擴大雷達威力2.3倍

  富士通有限公司和富士通實驗室有限公司宣布他們已經開發出一種晶體結構,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射器并使輸出功率增加三倍。

  GaN HEMT技術可以作為功率放大器應用于氣象雷達等設備,通過應用此技術在該領域,預計雷達的探測范圍將擴大2.3倍,能夠在早期探測到可以發展成暴雨的積雨。

  為擴大雷達等設備的探測范圍,必須提高功率放大器中晶體管的輸出功率。然而,使用傳統技術,增加電壓很容易損壞構成晶體管的晶體。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上是比較困難的。

  富士通和富士通實驗室現已開發出一種晶體結構,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、技術和后勤署(ATLA)建立的安全創新科技計劃的部分支持。

  這項技術的細節在8月5日至10日在波蘭華沙舉行的關于氮化物半導體晶體生長的國際研討會(ISGN-7)上首次公布。

  發展背景

  近年來,GaN HEMT已廣泛應用于遠程無線電波應用中的高頻功率放大器,例如雷達和無線通信。預計它將用于準確觀察局部暴雨的氣象雷達,以及用于第五代移動通信(5G)的毫米波段無線通信。

  通過增加用于發射機的高頻GaN HEMT功率放大器的輸出功率,可以擴展用于雷達和無線通信的微波和毫米波波段的微波輻射。這允許擴展的雷達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行GaN HEMT的研究,目前提供用于各種領域的鋁-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,當高密度電子工作時,它可以實現高電流操作。因此,富士通和富士通實驗室已經開發出一種同時實現高電流和高電壓的晶體結構。

  研究困難

  為了提高晶體管的輸出功率,需要實現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,可以增加晶體管內的電子密度,其將有助于增加電流。

  然而,當施加高電壓時,過量的電壓集中在電子供給層部分,損壞晶體管內的晶體。因此,這些晶體管存在嚴重的問題,因此工作電壓不能持續增加。

  新技術開發

  富士通和富士通實驗室已經成功開發出一種晶體管,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生許多具有高動能的電子。

  隨后,這些電子會猛烈地撞擊構成晶體結構的原子,造成晶體損害。由于這種現象,晶體管的最大工作電壓受到限制。

  通過插入新開發的高電阻AlGaN間隔層,晶體管內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,則操作電壓對應于超過300,000V。

  效果

  通過在InAlGaN HEMT中插入這種新開發的AlGaN間隔層,富士通和富士通實驗室已經實現了高電流和高電壓操作,這是傳統上難以實現的。

  此外,通過應用富士通于2017年開發的單晶金剛石襯底鍵合技術,晶體管內的發熱可以通過金剛石襯底有效地散發,從而實現穩定的工作狀態。

  在實際測試中具有這種晶體結構的GaN HEMT時,成功地實現了每毫米柵極寬度19.9瓦的世界最高輸出功率,這是傳統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的GaN HEMT功率放大器的耐熱性和輸出性能進行評估,目標是將高輸出功率,高頻GaN HEMT功率放大器商業化,用于雷達等應用系統,包括氣象雷達和5G無線通信系統。


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