Fujitsu verdreifacht die Ausgangsleistung von Galliumnitridtransistoren

Um den Radarbeobachtungsbereich zu vergrößern, ist es notwendig, die Ausgangsleistung der in ihren Verstärkern verwendeten Transistoren zu erhöhen. In diesem Fall kann das Anlegen einer hohen Spannung die Kristalle beschädigen, die den Transistor bilden. Fujitsu-Wissenschaftler haben eine kristalline Struktur entwickelt, die die Stromstärke und Spannung von Galliumnitrid (GaN) -Transistoren mit hohem Elektronenmobilitätstransistor (HEMT) erhöht und die Ausgangsleistung von Transistoren, die in Mikrowellensendern verwendet werden, um das Dreifache erhöht. Wir werden Ihnen im Artikel mehr über die Entwicklung neuer Technologien erzählen.



Die GaN HEMT-Technologie kann als Leistungsverstärker für Geräte wie meteorologische Radargeräte verwendet werden. Laut Wissenschaftlern wird dadurch die Radarbeobachtungsfläche um das 2,3-fache vergrößert, um Gewitterwolken, die starken Regen verursachen, frühzeitig zu erkennen. Fujitsu erreichte mit einer Leistung von 19,9 W pro Millimeter Gate-Breite des GaN-HEMT-Transistors die weltweit höchste Transistordichte unter Verwendung einer Schutzschicht auf Basis von Indium, Aluminium und Galliumnitrid (InAlGaN).

Anwendungen GaN HEMT

In den letzten Jahren wurden GaN-HEMT-Transistoren häufig als Hochfrequenz-Leistungsverstärker in Radargeräten und drahtlosen Kommunikationssystemen verwendet. Es wird angenommen, dass sie auch in meteorologischen Radargeräten zur genauen Erfassung lokaler Niederschläge sowie in Millimeterwellen-Funkkommunikationssystemen für Mobilfunknetze der fünften Generation (5G) Anwendung finden werden. Der Mikrowellenbereich im Vergleich zu Millimeterwellen, die in Radargeräten und drahtlosen Kommunikationssystemen verwendet werden, kann durch Erhöhen der Ausgangsleistung von Hochfrequenzverstärkern auf der Basis von GaN-HEMT-Transistoren erhöht werden.

Fujitsu erforscht seit Anfang der 2000er Jahre GaN-HEMT-Transistoren und bietet derzeit AlGaN-HEMT-Transistoren an. Sie werden die neue technologische Generation von GaN-HEMT-Transistoren sein, die einen Hochspannungsbetrieb durch Verwendung von Elektronen hoher Dichte ermöglichen.

Was bietet die neue Technologie?

Bei herkömmlichen InAlGaN-HEMT-Transistoren lag die Spannung zwischen dem Gate und den Drain-Elektroden in der Elektronenversorgungsschicht, und dort wird eine große Anzahl von Elektronen mit hoher kinetischer Energie erzeugt. Infolgedessen beschädigten diese Elektronen die Kristallstruktur der Schicht. Infolgedessen hatten die Transistoren eine Grenze für die maximale Betriebsspannung.


Kristallschadensmechanismus und neue Kristallstruktur

Durch Verwendung der neuen AlGaN-Trennschicht kann die Spannung im Transistor über die Elektronenversorgungsschicht und die Trennschicht verteilt werden. Durch Verringern der Spannungskonzentration wird die Erhöhung der kinetischen Energie von Elektronen in der Kristallstruktur unterdrückt, und es tritt keine Beschädigung der Elektronenversorgungsschicht auf, wodurch die Betriebsspannung auf 100 V erhöht werden kann.


Neue GaN-HEMT-Transistorstruktur und Vergleich der Ausgangsleistung neuer und traditioneller Technologien

Zukunftspläne

Die im Transistor erzeugte Wärme kann effektiv durch das Diamantsubstrat abgeführt werden, dessen Verbindungstechnologie 2017 von Fujitsu entwickelt wurde. Als die GaN-HEMT-Transistoren mit Kristallstruktur in realen Tests getestet wurden, zeigten sie eine Ausgangsleistung von 19,9 W pro Millimeter Gate-Breite, was dem Dreifachen der Ausgangsleistung herkömmlicher AlGaN / GaN-HEMT-Transistoren entspricht.

Detaillierte Informationen über die neue Entwicklung wurden im Rahmen der Veranstaltung des Internationalen Symposiums für das Wachstum von III-Nitriden (ISGN-7) präsentiert, einer internationalen Konferenz, die vom 5. bis 10. August in Warschau, Polen, stattfand. Fujitsu bewertet die Wärmebeständigkeit und Energieeffizienz von Leistungsverstärkern auf Basis von GaN-HEMT-Transistoren mithilfe dieser Technologie, um Verstärker für Anwendungen wie Radar und drahtlose Systeme auf Basis von 5G-Netzen bis zum Geschäftsjahr 2020 zu vermarkten.

Anmerkungen:

1. Galliumnitrid (GaN) ist ein Halbleitermaterial mit einer höheren Durchbruchspannung als herkömmliche Halbleitermaterialien, einschließlich Silizium (Si) und Galliumarsenid (GaAs).
2. Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (High Electron Mobility Transistor, HEMT) - Kanaltransistor, der auf einer Elektronenschicht an der Grenze zwischen zwei verschiedenen Halbleitermaterialien arbeitet. Es hat eine höhere Betriebsgeschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Halbleitern.