富士通有限公司和富士通实验室有限公司宣布他们已经开发出一种晶体结构，既可以增加氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)的电流和电压，也可以用于微波频段发射器并使输出功率增加三倍。

　　GaN HEMT技术可以作为功率放大器应用于气象雷达等设备，通过应用此技术在该领域，预计雷达的探测范围将扩大2.3倍，能够在早期探测到可以发展成暴雨的积雨。

　　为扩大雷达等设备的探测范围，必须提高功率放大器中晶体管的输出功率。然而，使用传统技术，增加电压很容易损坏构成晶体管的晶体。因此，同时增加高输出功率GaN HEMTs所必需的电流和电压在技术上是比较困难的。

　　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，从而防止晶体损坏(专利申请中)。这项技术使富士利用铟-铝-氮化镓(InAlGaN)阻挡层，以19.9W/mm栅宽通成功实现世界上最高功率密度晶体管。

　　这项研究得到了由日本国防部的采购、技术和后勤署(ATLA)建立的安全创新科技计划的部分支持。

　　这项技术的细节在8月5日至10日在波兰华沙举行的关于氮化物半导体晶体生长的国际研讨会(ISGN-7)上首次公布。

　　发展背景

　　近年来，GaN HEMT已广泛应用于远程无线电波应用中的高频功率放大器，例如雷达和无线通信。预计它将用于准确观察局部暴雨的气象雷达，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辐射。这允许扩展的雷达探测范围以及更长距离和更高容量的通信。

　　自2000年初以来，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-氮化镓(AlGaN)HEMT。

　　最近，富士通实验室一直在研究铟-铝-氮化镓(InAlGaN)HEMT作为新一代GaN HEMT的技术，当高密度电子工作时，它可以实现高电流操作。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。

　　研究困难

　　为了提高晶体管的输出功率，需要实现高电流和高电压操作。正在研究用于下一代GaN HEMT的铟-铝-氮化镓(InAlGaN)HEMT，可以增加晶体管内的电子密度，其将有助于增加电流。

　　然而，当施加高电压时，过量的电压集中在电子供给层部分，损坏晶体管内的晶体。因此，这些晶体管存在严重的问题，因此工作电压不能持续增加。

　　新技术开发

　　富士通和富士通实验室已经成功开发出一种晶体管，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。

　　传统的InAlGaN HEMT，施加在栅极和漏极之间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。

　　随后，这些电子会猛烈地撞击构成晶体结构的原子，造成晶体损害。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间隔层上。通过降低电压密度，可以抑制晶体内电子动能增加，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是1cm，则操作电压对应于超过300,000V。

　　效果

　　通过在InAlGaN HEMT中插入这种新开发的AlGaN间隔层，富士通和富士通实验室已经实现了高电流和高电压操作，这是传统上难以实现的。

　　此外，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通过金刚石衬底有效地散发，从而实现稳定的工作状态。

　　在实际测试中具有这种晶体结构的GaN HEMT时，成功地实现了每毫米栅极宽度19.9瓦的世界最高输出功率，这是传统AlGaN / GaN HEMT输出功率的三倍。

　　未来的计划

　　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，用于雷达等应用系统，包括气象雷达和5G无线通信系统。