近日，日本富士通有限公司和富士通實驗室有限公司宣布，他們在氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）中開發出一種可以增加電流和電壓的晶體結構，有效地將微波頻帶中發射器用晶體管的輸出功率增加三倍。

GaN HEMT技術可以作為天氣雷達等設備的功率放大器-通過將新技術應用于該地區，預計雷達的觀測范圍將擴大2.3倍，從而能夠及早發現積雨云可能發展成暴雨的云。

為了擴大雷達等設備的觀測范圍，必須增加功率放大器中使用的晶體管的輸出功率。然而，對于傳統技術，施加高電壓可能容易損壞晶體管的晶體。因此，技術上難以同時增加電流和電壓，這是實現高輸出功率GaN HEMT所需的。

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，防止晶體損壞。該技術使富士通能夠使用氮化銦鋁（InAlGaN）阻擋層實現GaN HEMT的每毫米柵極寬度19.9瓦的記錄功率密度。

發展背景

除了近年來在長距離無線電波應用（如雷達和無線通信）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，以準確地觀察局部暴雨，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傳播。這允許擴展雷達觀測范圍以及更長距離和更高容量的通信。

自21世紀初以來，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，當高密度電子變得可用時，它能夠實現高電流操作。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。

存在問題

為了提高晶體管的輸出功率，必須實現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，因為InAlGaN HEMT可以增加晶體管內的電子密度。然而，當施加高電壓時，過量的電壓集中在電子供給層的一部分上，損壞晶體管內的晶體。因此，這些晶體管存在一個嚴重的問題，即它們的工作電壓無法增加（下圖）。

圖1：晶體損傷的機理和新的晶體結構。

新開發的技術

富士通和富士通實驗室開發了一種晶體管，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。

對于傳統的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生許多具有高動能的電子。這些隨后猛烈撞擊包含晶體結構的原子，造成損害。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間隔層兩者上。通過降低電壓濃度，可以抑制晶體內電子動能的增加，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為1cm，這將對應于超過300,000V。

圖2：新型GaN HEMT晶體管結構以及輸出功率與傳統技術的比較。

試驗效果

除了富士通和富士通實驗室將這種新的AlGaN間隔層插入InAlGaN HEMT以實現高電流和高電壓工作外，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是通過金剛石基板有效散發，實現穩定的操作。當在實際測試中測量具有這種晶體結構的GaN HEMT時，它們實現了19.9W / mm柵極寬度的記錄輸出功率（比常規AlGaN / GaN HEMT的輸出功率高三倍）。

未來計劃

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，用于雷達系統等應用（包括天氣雷達）和2020財年的5G無線通信系統。

資金來源

該研究得到了日本國防部采購、技術和后勤局（ATLA）設立的創新科技安全項目的部分支持。