Fujitsu Limited y Fujitsu Laboratories Ltd.anunciaron hoy que han desarrollado una estructura de cristal que aumenta tanto la corriente como el voltaje en los transistores de alta movilidad de electrones de nitruro de galio (GaN) (HEMT). triplicando efectivamente la potencia de salida de los transistores utilizados para transmisores en la banda de microondas. La tecnología GaN HEMT puede servir como amplificador de potencia para equipos como los radares meteorológicos. Al aplicar la nueva tecnología a esta área, Se espera que el rango de observación del radar se amplíe 2,3 veces, permitiendo la detección temprana de nubes cumulonimbus que pueden convertirse en tormentas torrenciales.

Para ampliar el rango de observación de equipos como radares, es fundamental aumentar la potencia de salida de los transistores utilizados en los amplificadores de potencia. Con tecnología convencional, sin embargo, la aplicación de alto voltaje podría dañar fácilmente los cristales que componen un transistor. Por lo tanto, era técnicamente difícil aumentar la corriente y el voltaje simultáneamente, que se requiere para realizar HEMT de GaN de alta potencia.

Fujitsu y Fujitsu Laboratories ahora han desarrollado una estructura de cristal que mejora el voltaje de funcionamiento al dispersar el voltaje aplicado al transistor, y por lo tanto previene el daño del cristal (pendiente de patente). Esta tecnología ha permitido a Fujitsu alcanzar con éxito la densidad de potencia más alta del mundo a 19,9 vatios por milímetro de ancho de puerta para GaN HEMT empleando una capa de barrera de nitruro de indio-aluminio-galio (InAlGaN).

Esta investigación fue parcialmente apoyada por Innovative Science and Technology Initiative for Security, establecido por la Adquisición, Agencia de Tecnología y Logística (ATLA) del Ministerio de Defensa de Japón. Los detalles de esta tecnología se darán a conocer en el Simposio Internacional sobre el Crecimiento de III-Nitruros (ISGN-7), una conferencia internacional sobre el crecimiento de cristales semiconductores de nitruro, celebrado en Varsovia, Polonia, del 5 al 10 de agosto.

Antecedentes de desarrollo

Los HEMT de GaN se han utilizado ampliamente como amplificadores de potencia de alta frecuencia en aplicaciones de ondas de radio de larga distancia, como radares y comunicaciones inalámbricas. También se espera que se utilicen como radares meteorológicos para observar con precisión las lluvias torrenciales localizadas. así como en comunicaciones inalámbricas de banda de ondas milimétricas para comunicaciones móviles de quinta generación (5G). El alcance de las microondas de las bandas de microondas y de ondas milimétricas utilizadas para el radar y las comunicaciones inalámbricas se puede ampliar aumentando la potencia de salida de los amplificadores de potencia GaN HEMT de alta frecuencia utilizados para el transmisor. Esto permite un rango de observación de radar ampliado, así como comunicaciones a mayor distancia y mayor capacidad.

Fujitsu Laboratories ha realizado investigaciones sobre GaN HEMT desde principios de la década de 2000, y actualmente proporciona los HEMT de nitruro de aluminio y galio (AlGaN) que se utilizan en una variedad de áreas. Recientemente, Fujitsu Laboratories ha estado realizando investigaciones sobre HEMT de nitruro de indio-aluminio-galio (InAlGaN) como tecnología GaN HEMT de nueva generación, lo que permite un funcionamiento de alta corriente a medida que se dispone de electrones de alta densidad. Respectivamente, Fujitsu y Fujitsu Laboratories han desarrollado una estructura de cristal que logra alta corriente y alto voltaje simultáneamente.

Para mejorar la potencia de salida de un transistor, se requiere para realizar operaciones de alta corriente y alta tensión. Se están realizando investigaciones para los HEMT de nitruro de indio-aluminio-galio (InAlGaN) para la próxima generación de HEMT de GaN que contribuirían a aumentar la corriente, ya que los HEMT de InAlGaN pueden aumentar la densidad de electrones dentro del transistor. Cuando se aplica alto voltaje, sin embargo, una cantidad excesiva de voltaje se concentra en una parte de la capa de suministro de electrones, Dañando los cristales dentro de los transistores. Como consecuencia, estos transistores tenían un problema serio por el cual su voltaje de operación no podía aumentarse [Figura 1].

Fujitsu y Fujitsu Laboratories han logrado desarrollar un transistor que puede proporcionar alta corriente y alto voltaje insertando una capa espaciadora de AlGaN de alta resistencia entre la capa de suministro de electrones y la capa del canal de electrones.

Para los HEMT InAlGaN convencionales, todo el voltaje aplicado entre la puerta y los electrodos de drenaje se aplicaron a la capa de suministro de electrones, y se generaron numerosos electrones que tienen alta energía cinética en la capa de suministro de electrones. Después, estos electrones golpearían violentamente los átomos que componen la estructura cristalina, causando daño. Como resultado de este fenómeno, había un límite para la tensión máxima de funcionamiento del transistor.

Al insertar la capa espaciadora de AlGaN altamente resistente recientemente desarrollada, el voltaje dentro del transistor se puede dispersar a través de la capa de suministro de electrones y la capa espaciadora de AlGaN. Al mitigar la concentración de voltaje, se suprime el aumento de energía cinética de los electrones dentro del cristal y se puede evitar el daño a la capa de suministro de electrones, lo que conduce a un voltaje de funcionamiento mejorado de hasta 100 voltios. Este voltaje de operación corresponde a más de 300, 000 voltios si la distancia entre el electrodo fuente y el electrodo de puerta es de un centímetro.

Efectos

Al insertar esta capa espaciadora de AlGaN recientemente desarrollada en InAlGaN HEMT, Fujitsu y Fujitsu Laboratories han logrado un funcionamiento tanto de alta corriente como de alto voltaje, que era convencionalmente difícil de lograr. Es más, aplicando la tecnología de unión de sustrato de diamante monocristalino que Fujitsu desarrolló en 2017, la generación de calor dentro del transistor se puede disipar de manera eficiente a través del sustrato de diamante, permitiendo operaciones estables. Cuando se midieron GaN HEMT con esta estructura cristalina en pruebas reales, lograron con éxito la potencia de salida más alta del mundo de 19,9 vatios por milímetro de ancho de puerta, que es tres veces mayor que la potencia de salida de los HEMT convencionales de AlGaN / GaN.

Fujitsu y Fujitsu Laboratories realizarán una evaluación de la resistencia al calor y el rendimiento de salida de los amplificadores de potencia GaN HEMT que utilizan esta tecnología. con el objetivo de comercializar potencias de alto rendimiento, Amplificadores de potencia GaN HEMT de alta frecuencia para su uso en aplicaciones tales como sistemas de radar, incluido el radar meteorológico, y sistemas de comunicación inalámbrica 5G para el año fiscal 2020.