富士通公司研发可增加电流和电压的晶体结构，输出功率增加三倍。

近日，日本富士通有限公司和富士通实验室有限公司宣布，他们在氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）中开发出一种可以增加电流和电压的晶体结构，有效地将微波频带中发射器用晶体管的输出功率增加三倍。

GaN HEMT技术可以作为天气雷达等设备的功率放大器-通过将新技术应用于该地区，预计雷达的观测范围将扩大2.3倍，从而能够及早发现积雨云可能发展成暴雨的云。

为了扩大雷达等设备的观测范围，必须增加功率放大器中使用的晶体管的输出功率。然而，对于传统技术，施加高电压可能容易损坏晶体管的晶体。因此，技术上难以同时增加电流和电压，这是实现高输出功率GaN HEMT所需的。

富士通和富士通实验室现已开发出一种晶体结构，通过将施加的电压分散到晶体管来改善工作电压，防止晶体损坏。该技术使富士通能够使用氮化铟铝（InAlGaN）阻挡层实现GaN HEMT的每毫米栅极宽度19.9瓦的记录功率密度。

发展背景

除了近年来在长距离无线电波应用（如雷达和无线通信）中广泛使用的高频功率放大器之外，GaN HEMT还有望用于天气雷达，以准确地观察局部暴雨，以及用于第五代移动通信（5G）的毫米波段无线通信。通过增加用于发射机的高频GaN HEMT功率放大器的输出功率，可以扩展用于雷达和无线通信的微波和毫米波波段的微波传播。这允许扩展雷达观测范围以及更长距离和更高容量的通信。

自21世纪初以来，富士通实验室一直在进行GaN HEMT的研究，目前提供用于各种领域的铝镓氮（AlGaN）HEMT。最近，它一直在研究铟铝镓氮（InAlGaN）HEMT作为新一代GaN HEMT技术，当高密度电子变得可用时，它能够实现高电流操作。因此，富士通和富士通实验室已经开发出一种同时实现高电流和高电压的晶体结构。

存在问题

为了提高晶体管的输出功率，必须实现高电流和高电压操作。正在研究用于下一代GaN HEMT的InAlGaN HEMT，这将有助于增加电流，因为InAlGaN HEMT可以增加晶体管内的电子密度。然而，当施加高电压时，过量的电压集中在电子供给层的一部分上，损坏晶体管内的晶体。因此，这些晶体管存在一个严重的问题，即它们的工作电压无法增加（下图）。

图1：晶体损伤的机理和新的晶体结构。

新开发的技术

富士通和富士通实验室开发了一种晶体管，通过在电子供给层和电子沟道层之间插入高阻AlGaN间隔层，可以提供高电流和高电压。

对于传统的InAlGaN HEMT，栅极和漏极之间的所有施加电压都施加到电子供给层，并且在电子供给层中产生许多具有高动能的电子。这些随后猛烈撞击包含晶体结构的原子，造成损害。由于这种现象，晶体管的最大工作电压受到限制。

通过插入新开发的高电阻AlGaN间隔层，晶体管内的电压可以分散在电子供给层和AlGaN间隔层两者上。通过降低电压浓度，可以抑制晶体内电子动能的增加，并且可以防止对电子供给层的损坏，从而提高高达100V的工作电压。如果源电极和栅电极之间的距离为1cm，这将对应于超过300,000V。

图2：新型GaN HEMT晶体管结构以及输出功率与传统技术的比较。

试验效果

除了富士通和富士通实验室将这种新的AlGaN间隔层插入InAlGaN HEMT以实现高电流和高电压工作外，通过应用富士通于2017年开发的单晶金刚石衬底键合技术，晶体管内的发热可以是通过金刚石基板有效散发，实现稳定的操作。当在实际测试中测量具有这种晶体结构的GaN HEMT时，它们实现了19.9W / mm栅极宽度的记录输出功率（比常规AlGaN / GaN HEMT的输出功率高三倍）。

未来计划

富士通和富士通实验室将对使用该技术的GaN HEMT功率放大器的耐热性和输出性能进行评估，目标是将高输出功率、高频GaN HEMT功率放大器商业化，用于雷达系统等应用（包括天气雷达）和2020财年的5G无线通信系统。

资金来源

该研究得到了日本国防部采购、技术和后勤局（ATLA）设立的创新科技安全项目的部分支持。