Для увеличения области наблюдения радара необходимо увеличить выходную мощность транзисторов, используемых в его усилителях. Но в этом случае подача высокого напряжения может повредить кристаллы, которые образуют транзистор. Ученые компании Fujitsu разработали кристаллическую структуру, которая увеличивает силу тока и напряжение нитрид-галлиевых (GaN) транзисторов с высокой подвижностью электронов (High Electron Mobility Transistor, HEMT), в три раза повышая выходную мощность транзисторов, используемых в микроволновых передатчиках. Подробнее о разработке новой технологии мы расскажем в статье.

Технология GaN HEMT может использоваться в качестве усилителя мощности для такого оборудования, как метеорологические радары – по прогнозам ученых это позволит увеличить область наблюдения радара в 2,3 раза для раннего обнаружения грозовых облаков, которые создают сильные ливни. Fujitsu добилась самой высокой в мире плотности транзисторов при мощности на уровне 19,9 Вт на миллиметр ширины затвора транзистора GaN HEMT, используя защитный слой на основе индия, алюминия и нитрида галлия (InAlGaN).

Области применения GaN HEMT

В последние годы транзисторы GaN HEMT широко использовались в качестве высокочастотных усилителей мощности в радарах и беспроводных коммуникационных системах. Предполагается, что они также найдут применение в метеорологических радарах для точного обнаружения локальных осадков, а также в миллиметровых беспроводных коммуникационных системах для мобильных сетей пятого поколения (5G). Радиус действия микроволн по сравнению миллиметровыми волнами, которые используются в радарах и беспроводных коммуникационных системах, может быть увеличен за счет повышения выходной мощности высокочастотных усилителей, созданных на базе транзисторов GaN HEMT. Fujitsu занималась исследованиями в области транзисторов GaN HEMT с начала 2000-х годов и в настоящий момент предлагает транзисторы AlGaN HEMT. Они станут новым технологическим поколением транзисторов типа GaN HEMT, обеспечивающих работу с высоким напряжением за счет использования электронов с высокой плотностью.

Что предлагает новая технология?

В традиционных транзисторах InAlGaN HEMT напряжение между затвором и электродами стока приходилось на слой подачи электронов, и большое количество электронов с большой кинетической энергией создается именно там. Как следствие, эти электроны повреждали кристаллическую структуру слоя. В результате, транзисторы имели ограничение по максимальному рабочему напряжению.

Механизм повреждения кристаллов и новая кристаллическая структура

За счет использования нового разделительного слоя AlGaN напряжение в транзисторе можно распределить по слою подачи электронов и разделительному слою. За счет снижения концентрации напряжения рост кинетической энергии электронов в кристаллической структуре подавляется, и повреждение слоя подачи электронов не возникает, что позволяет увеличить рабочее напряжение до 100 В.

Новая структура транзисторов GaN HEMT и сравнение выходной мощности новой и традиционной технологии

Планы на будущее

Создаваемое в транзисторе тепло можно эффективно выводить через алмазную подложку, технологию соединения которой разработала Fujitsu в 2017 году. Когда транзисторы GaN HEMT с кристаллической структурой были испытаны в ходе реальных тестов, они продемонстрировали выходную мощность на уровне 19,9 Вт на миллиметр ширины затвора, что в 3 раза больше выходной мощности традиционных транзисторов AlGaN/GaN HEMT. Подробная информация о новой разработке была представлена в рамках мероприятия International Symposium on Growth of III-Nitrides (ISGN-7), международной конференции, которой проходила с 5 по 10 августа в Варшаве, Польша. Fujitsu проводит оценку теплостойкости и энергетических характеристик усилителей мощности на базе транзисторов GaN HEMT с использованием этой технологии с целью коммерческого производства усилителей для таких областей применения, как радары и беспроводные системы на базе сетей 5G к 2020 финансовому году.

Примечания:

• Нитрид галлия (GaN) — полупроводниковый материал с более высоким пробивным напряжением по сравнению с традиционными полупроводниковыми материалами, включая кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs).
• Транзисторы с высокой подвижностью электронов (High Electron Mobility Transistor, HEMT) — канальный транзистор, работа в котором осуществляется на слое электронов на границе между двух различных полупроводниковых материалов. Он отличается более высокой скоростью работы по сравнению с традиционными полупроводниками.