Fujitsu Limited e Fujitsu Laboratories Ltd. hanno annunciato oggi di aver sviluppato una struttura cristallina che aumenta sia la corrente che la tensione nei transistor ad elevata mobilità elettronica (HEMT) al nitruro di gallio (GaN), triplicando efficacemente la potenza di uscita dei transistor utilizzati per i trasmettitori nella banda delle microonde. La tecnologia GaN HEMT può fungere da amplificatore di potenza per apparecchiature come i radar meteorologici. Applicando la nuova tecnologia a quest'area, si prevede che il raggio di osservazione del radar sarà ampliato di 2,3 volte, consentendo il rilevamento precoce di cumulonembi che possono trasformarsi in temporali torrenziali.

Per espandere il raggio di osservazione di apparecchiature come radar, è essenziale aumentare la potenza di uscita dei transistor utilizzati negli amplificatori di potenza. Con la tecnologia convenzionale, però, l'applicazione di alta tensione potrebbe facilmente danneggiare i cristalli che compongono un transistor. Perciò, era tecnicamente difficile aumentare la corrente e la tensione contemporaneamente, che è necessario per realizzare HEMT GaN ad alta potenza.

Fujitsu e Fujitsu Laboratories hanno ora sviluppato una struttura cristallina che migliora la tensione operativa disperdendo la tensione applicata al transistor, e quindi previene il danneggiamento dei cristalli (in attesa di brevetto). Questa tecnologia ha consentito a Fujitsu di raggiungere con successo la più alta densità di potenza al mondo a 19,9 watt per millimetro di larghezza del gate per GaN HEMT utilizzando uno strato barriera di indio-alluminio-nitruro di gallio (InAlGaN).

Questa ricerca è stata parzialmente supportata da Innovative Science and Technology Initiative for Security, stabilito dall'Acquisizione, Technology &Logistics Agency (ATLA) del Ministero della Difesa giapponese. I dettagli di questa tecnologia saranno annunciati al Simposio internazionale sulla crescita dei nitruri III (ISGN-7), una conferenza internazionale sulla crescita dei cristalli di semiconduttori di nitruro, tenutosi a Varsavia, Polonia, dal 5 al 10 agosto.

Sfondo di sviluppo

Gli HEMT GaN sono stati ampiamente utilizzati come amplificatori di potenza ad alta frequenza in applicazioni di onde radio a lunga distanza, come radar e comunicazioni wireless. Si prevede inoltre che verranno utilizzati per i radar meteorologici per osservare con precisione precipitazioni torrenziali localizzate, così come nelle comunicazioni wireless a banda d'onda millimetrica per le comunicazioni mobili di quinta generazione (5G). La portata delle microonde dalle bande delle microonde e delle onde millimetriche utilizzate per le comunicazioni radar e wireless può essere estesa aumentando la potenza di uscita degli amplificatori di potenza GaN HEMT ad alta frequenza utilizzati per il trasmettitore. Ciò consente un raggio di osservazione radar ampliato, nonché comunicazioni a maggiore distanza e di maggiore capacità.

Fujitsu Laboratories ha condotto ricerche sugli HEMT GaN dall'inizio degli anni 2000, e attualmente fornisce gli HEMT di nitruro di alluminio-gallio (AlGaN) utilizzati in una varietà di aree. Recentemente, Fujitsu Laboratories ha condotto ricerche sugli HEMT di nitruro di indio-alluminio-gallio (InAlGaN) come tecnologia GaN HEMT di nuova generazione, che consente il funzionamento ad alta corrente quando gli elettroni ad alta densità diventano disponibili. Di conseguenza, Fujitsu e Fujitsu Laboratories hanno sviluppato una struttura cristallina che raggiunge contemporaneamente sia l'alta corrente che l'alta tensione.

Al fine di migliorare la potenza di uscita di un transistor, è necessario per realizzare sia il funzionamento ad alta corrente che ad alta tensione. Sono in corso ricerche per HEMT di nitruro di indio-alluminio-gallio (InAlGaN) per l'HEMT GaN di prossima generazione che contribuirebbe ad aumentare la corrente, poiché gli HEMT InAlGaN possono aumentare la densità elettronica all'interno del transistor. Quando viene applicata l'alta tensione, però, una quantità eccessiva di tensione si concentra su una parte dello strato di alimentazione degli elettroni, danneggiando i cristalli all'interno dei transistor. Di conseguenza, questi transistor avevano un problema serio per cui la loro tensione operativa non poteva essere aumentata [Figura 1].

Fujitsu e Fujitsu Laboratories sono riusciti a sviluppare un transistor in grado di fornire sia alta corrente che alta tensione inserendo uno strato spaziatore di AlGaN ad alta resistenza tra lo strato di fornitura di elettroni e lo strato di canale di elettroni.

Per gli HEMT InAlGaN convenzionali, tutta la tensione applicata tra gli elettrodi di gate e di drain è stata applicata allo strato di alimentazione degli elettroni, e numerosi elettroni aventi un'elevata energia cinetica sono stati generati nello strato di alimentazione degli elettroni. Successivamente, questi elettroni colpirebbero violentemente gli atomi che compongono la struttura cristallina, provocando danni. In conseguenza di questo fenomeno, c'era un limite alla massima tensione operativa del transistor.

Inserendo il nuovo strato distanziatore AlGaN ad alta resistenza, la tensione all'interno del transistor può essere dispersa sia sullo strato di alimentazione degli elettroni che sullo strato spaziatore di AlGaN. Riducendo la concentrazione di tensione, l'aumento di energia cinetica degli elettroni all'interno del cristallo viene soppresso e si può prevenire il danneggiamento dello strato di alimentazione degli elettroni, portando a una tensione operativa migliorata fino a 100 volt. Questa tensione di funzionamento corrisponde a oltre 300, 000 volt se la distanza tra l'elettrodo di sorgente e l'elettrodo di porta è di un centimetro.

Effetti

Inserendo questo strato spaziatore di AlGaN di nuova concezione negli HEMT di InAlGaN, Fujitsu e Fujitsu Laboratories hanno raggiunto sia il funzionamento ad alta corrente che ad alta tensione, che era convenzionalmente difficile da raggiungere. Per di più, applicando la tecnologia di incollaggio del substrato di diamante a cristallo singolo che Fujitsu ha sviluppato nel 2017, la generazione di calore all'interno del transistor può essere dissipata in modo efficiente attraverso il substrato di diamante, consentendo operazioni stabili. Quando gli HEMT di GaN con questa struttura cristallina sono stati misurati in test reali, hanno raggiunto con successo la più alta potenza di uscita al mondo di 19,9 watt per millimetro di larghezza del cancello, che è tre volte superiore alla potenza di uscita degli HEMT AlGaN/GaN convenzionali.

Fujitsu e Fujitsu Laboratories condurranno una valutazione della resistenza al calore e delle prestazioni di uscita degli amplificatori di potenza GaN HEMT utilizzando questa tecnologia, con l'obiettivo di commercializzare alta potenza di uscita, amplificatori di potenza GaN HEMT ad alta frequenza per l'uso in applicazioni quali sistemi radar, compreso il radar meteorologico, e sistemi di comunicazione wireless 5G entro l'anno fiscale 2020.