Fujitsu Limited en Fujitsu Laboratories Ltd. hebben vandaag aangekondigd dat ze een kristalstructuur hebben ontwikkeld die zowel de stroom als de spanning in galliumnitride (GaN)-transistors met hoge elektronenmobiliteit (HEMT) verhoogt, het effectief verdrievoudigen van het uitgangsvermogen van transistors die worden gebruikt voor zenders in de microgolfband. GaN HEMT-technologie kan dienen als vermogensversterker voor apparatuur zoals weerradar. Door de nieuwe technologie op dit gebied toe te passen, de verwachting is dat het waarnemingsbereik van de radar 2,3 keer groter zal worden, waardoor vroege detectie van cumulonimbuswolken mogelijk wordt die zich kunnen ontwikkelen tot stortregens.

Om het waarnemingsbereik van apparatuur zoals radar uit te breiden, het is essentieel om het uitgangsvermogen van de transistors die in eindversterkers worden gebruikt, te verhogen. Met conventionele technologie, echter, het toepassen van hoge spanning kan gemakkelijk de kristallen beschadigen die een transistor vormen. Daarom, het was technisch moeilijk om stroom en spanning tegelijkertijd te verhogen, die nodig is om GaN HEMT's met hoog uitgangsvermogen te realiseren.

Fujitsu en Fujitsu Laboratories hebben nu een kristalstructuur ontwikkeld die de bedrijfsspanning verbetert door de aangelegde spanning naar de transistor te verspreiden, en voorkomt daarmee kristalschade (patent aangevraagd). Deze technologie heeft Fujitsu in staat gesteld om met succes de hoogste vermogensdichtheid ter wereld te bereiken met een poortbreedte van 19,9 watt per millimeter voor GaN HEMT met een barrièrelaag van indium-aluminium-galliumnitride (InAlGaN).

Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door Innovative Science and Technology Initiative for Security, opgericht door de Overname, Technology &Logistics Agency (ATLA) van het Japanse Ministerie van Defensie. Details van deze technologie zullen worden aangekondigd op het International Symposium on Growth of III-Nitrides (ISGN-7), een internationale conferentie over de groei van nitridehalfgeleiderkristallen, gehouden in Warschau, Polen, van 5-10 augustus.

Ontwikkelingsachtergrond

GaN HEMT's zijn op grote schaal gebruikt als hoogfrequente eindversterkers in radiogolftoepassingen op lange afstand, zoals radars en draadloze communicatie. Er wordt ook verwacht dat ze zullen worden gebruikt voor weerradars om lokale stortregens nauwkeurig te observeren, evenals in millimetergolfband draadloze communicatie voor mobiele communicatie van de vijfde generatie (5G). Het bereik van microgolven van de microgolf- en millimetergolfbanden die worden gebruikt voor radar- en draadloze communicatie kan worden vergroot door het uitgangsvermogen van de hoogfrequente GaN HEMT-vermogensversterkers die voor de zender worden gebruikt, te vergroten. Dit maakt een groter radarobservatiebereik mogelijk, evenals communicatie over langere afstanden en hogere capaciteit.

Fujitsu Laboratories doet al sinds het begin van de jaren 2000 onderzoek naar GaN HEMT's, en levert momenteel de aluminium-galliumnitride (AlGaN) HEMT's die in verschillende gebieden worden gebruikt. Onlangs, Fujitsu Laboratories heeft onderzoek gedaan naar indium-aluminium-galliumnitride (InAlGaN) HEMT's als een nieuwe generatie GaN HEMT-technologie, die een hoge stroomwerking mogelijk maakt als elektronen met een hoge dichtheid beschikbaar komen. Overeenkomstig, Fujitsu en Fujitsu Laboratories hebben een kristalstructuur ontwikkeld die tegelijkertijd zowel hoge stroom als hoge spanning bereikt.

Om het uitgangsvermogen van een transistor te verbeteren, het is vereist om zowel hoge stroom- als hoogspanningswerking te realiseren. Er wordt onderzoek gedaan naar indium-aluminium-galliumnitride (InAlGaN) HEMT's voor de volgende generatie GaN HEMT die zouden bijdragen aan een verhoogde stroom, aangezien InAlGaN HEMT's de elektronendichtheid in de transistor kunnen verhogen. Wanneer hoogspanning wordt toegepast, echter, een overmatige hoeveelheid spanning wordt geconcentreerd op een deel van de elektronentoevoerlaag, beschadiging van de kristallen in transistoren. Bijgevolg, deze transistors hadden een ernstig probleem waardoor hun bedrijfsspanning niet kon worden verhoogd [Figuur 1].

Fujitsu en Fujitsu Laboratories zijn erin geslaagd een transistor te ontwikkelen die zowel hoge stroom als hoge spanning kan leveren door een AlGaN-afstandslaag met hoge weerstand tussen de elektronentoevoerlaag en de elektronenkanaallaag aan te brengen.

Voor conventionele InAlGaN HEMT's, alle aangelegde spanning tussen de poort- en afvoerelektroden werd toegepast op de elektronentoevoerlaag, en talrijke elektronen met een hoge kinetische energie werden gegenereerd in de elektronentoevoerlaag. Vervolgens, deze elektronen zouden met geweld de atomen treffen die de kristalstructuur vormen, schade aanrichten. Als gevolg van dit fenomeen, er was een limiet aan de maximale bedrijfsspanning van de transistor.

Door het inbrengen van de nieuw ontwikkelde zeer resistente AlGaN-afstandslaag, de spanning in de transistor kan worden verspreid over zowel de elektronentoevoerlaag als de AlGaN-afstandslaag. Door de concentratie van spanning te verminderen, de toename van de kinetische energie van de elektronen in het kristal wordt onderdrukt en schade aan de elektronentoevoerlaag kan worden voorkomen, wat leidt tot een verbeterde bedrijfsspanning tot 100 volt. Deze bedrijfsspanning komt overeen met meer dan 300, 000 volt als de afstand tussen de bronelektrode en de poortelektrode één centimeter is.

Effecten

Door deze nieuw ontwikkelde AlGaN-afstandslaag in InAlGaN HEMT's in te voegen, Fujitsu en Fujitsu Laboratories hebben zowel hoge stroom- als hoogspanningswerking bereikt, wat traditioneel moeilijk te realiseren was. Verder, door toepassing van de monokristallijne diamantsubstraatbindingstechnologie die Fujitsu in 2017 ontwikkelde, de warmteontwikkeling in de transistor kan efficiënt worden afgevoerd via diamantsubstraat, stabiele operaties mogelijk maken. Toen GaN HEMT's met deze kristalstructuur in daadwerkelijke tests werden gemeten, ze bereikten met succes 's werelds hoogste uitgangsvermogen van 19,9 watt per millimeter poortbreedte, wat drie keer hoger is dan het uitgangsvermogen van conventionele AlGaN/GaN HEMT's.

Fujitsu en Fujitsu Laboratories zullen een evaluatie uitvoeren van de hittebestendigheid en uitgangsprestaties van GaN HEMT-vermogensversterkers die deze technologie gebruiken, met als doel het commercialiseren van een hoog uitgangsvermogen, hoogfrequente GaN HEMT-vermogensversterkers voor gebruik in toepassingen zoals radarsystemen, inclusief weerradar, en 5G draadloze communicatiesystemen tegen fiscaal 2020.