A Fujitsu Limited e a Fujitsu Laboratories Ltd. anunciaram hoje que desenvolveram uma estrutura de cristal que aumenta a corrente e a tensão em transistores de alta mobilidade de elétrons de nitreto de gálio (GaN) (HEMT), efetivamente triplicando a potência de saída dos transistores usados ​​para transmissores na banda de micro-ondas. A tecnologia GaN HEMT pode servir como um amplificador de potência para equipamentos como radar meteorológico. Ao aplicar a nova tecnologia nesta área, espera-se que o alcance de observação do radar seja ampliado em 2,3 vezes, permitindo a detecção precoce de nuvens cumulonimbus que podem se transformar em tempestades torrenciais.

Para expandir a gama de observação de equipamentos como radar, é essencial aumentar a potência de saída dos transistores usados ​​em amplificadores de potência. Com tecnologia convencional, Contudo, a aplicação de alta tensão pode facilmente danificar os cristais que compõem um transistor. Portanto, era tecnicamente difícil aumentar a corrente e a tensão simultaneamente, que é necessário para realizar HEMTs de GaN de alta potência.

Fujitsu e Fujitsu Laboratories desenvolveram agora uma estrutura de cristal que melhora a tensão de operação, dispersando a tensão aplicada ao transistor, e, assim, evita danos ao cristal (patente pendente). Esta tecnologia permitiu à Fujitsu atingir com sucesso a maior densidade de energia do mundo com 19,9 watts por milímetro de largura de porta para GaN HEMT empregando camada de barreira de nitreto de índio-alumínio-gálio (InAlGaN).

Esta pesquisa foi parcialmente apoiada pela Innovative Science and Technology Initiative for Security, estabelecido pela Aquisição, Agência de Tecnologia e Logística (ATLA) do Ministério da Defesa do Japão. Os detalhes desta tecnologia serão anunciados no Simpósio Internacional de Crescimento de Nitretos III (ISGN-7), uma conferência internacional sobre o crescimento de cristal semicondutor de nitreto, realizada em Varsóvia, Polônia, de 5 a 10 de agosto.

Histórico de Desenvolvimento

GaN HEMTs têm sido amplamente usados ​​como amplificadores de potência de alta frequência em aplicações de ondas de rádio de longa distância, como radares e comunicações sem fio. Também se espera que eles sejam usados ​​por radares meteorológicos para observar com precisão chuvas torrenciais localizadas, bem como em comunicações sem fio de banda milimétrica para comunicações móveis de quinta geração (5G). O alcance das microondas das bandas de microondas e ondas milimétricas usadas para radar e comunicações sem fio pode ser estendido aumentando a potência de saída dos amplificadores de potência GaN HEMT de alta frequência usados ​​para o transmissor. Isso permite maior alcance de observação do radar, bem como distâncias mais longas e comunicações de maior capacidade.

Fujitsu Laboratories tem conduzido pesquisas sobre GaN HEMTs desde o início de 2000, e atualmente fornece os HEMTs de nitreto de alumínio-gálio (AlGaN) usados ​​em uma variedade de áreas. Recentemente, Fujitsu Laboratories tem conduzido pesquisas sobre HEMTs de nitreto de índio-alumínio-gálio (InAlGaN) como uma tecnologia de GaN HEMT de nova geração, que permite a operação em alta corrente à medida que elétrons de alta densidade se tornam disponíveis. De acordo, Fujitsu e Fujitsu Laboratories desenvolveram uma estrutura de cristal que atinge alta corrente e alta tensão simultaneamente.

Para melhorar a potência de saída de um transistor, ele é necessário para realizar a operação de alta corrente e alta tensão. A pesquisa está em andamento para HEMTs de nitreto de índio-alumínio-gálio (InAlGaN) para a próxima geração de HEMT de GaN que contribuiria para o aumento da corrente, como InAlGaN HEMTs podem aumentar a densidade de elétrons dentro do transistor. Quando a alta tensão é aplicada, Contudo, uma quantidade excessiva de voltagem fica concentrada em uma parte da camada de fornecimento de elétrons, danificando os cristais dentro dos transistores. Consequentemente, esses transistores tinham um problema sério pelo qual sua tensão operacional não podia ser aumentada [Figura 1].

Fujitsu e Fujitsu Laboratories tiveram sucesso no desenvolvimento de um transistor que pode fornecer alta corrente e alta voltagem, inserindo uma camada espaçadora AlGaN de alta resistência entre a camada de fornecimento de elétrons e a camada do canal de elétrons.

Para HEMTs InAlGaN convencionais, toda a tensão aplicada entre os eletrodos de porta e dreno foi aplicada à camada de fornecimento de elétrons, e numerosos elétrons com alta energia cinética foram gerados na camada de fornecimento de elétrons. Subseqüentemente, esses elétrons atingiriam violentamente os átomos que compõem a estrutura cristalina, causando danos. Como resultado desse fenômeno, havia um limite para a tensão máxima de operação do transistor.

Ao inserir a camada espaçadora AlGaN altamente resistente desenvolvida recentemente, a voltagem dentro do transistor pode ser dispersa através da camada de fornecimento de elétrons e da camada espaçadora AlGaN. Ao mitigar a concentração de voltagem, o aumento da energia cinética dos elétrons dentro do cristal é suprimido e danos à camada de fornecimento de elétrons podem ser evitados, levando a uma tensão operacional aprimorada de até 100 volts. Esta tensão de operação corresponde a mais de 300, 000 volts se a distância entre o eletrodo de origem e o eletrodo de porta for de um centímetro.

Efeitos

Ao inserir esta camada espaçadora AlGaN recentemente desenvolvida em HEMTs InAlGaN, Fujitsu e Fujitsu Laboratories alcançaram operação em alta corrente e alta tensão, o que era convencionalmente difícil de alcançar. Além disso, aplicando a tecnologia de ligação de substrato de diamante de cristal único que a Fujitsu desenvolveu em 2017, a geração de calor dentro do transistor pode ser dissipada de forma eficiente através do substrato de diamante, permitindo operações estáveis. Quando GaN HEMTs com esta estrutura de cristal foram medidos em testes reais, eles alcançaram com sucesso a maior potência de saída do mundo de 19,9 watts por milímetro de largura de porta, que é três vezes maior do que a potência de saída dos HEMTs AlGaN / GaN convencionais.

Fujitsu e Fujitsu Laboratories conduzirão uma avaliação da resistência ao calor e desempenho de saída dos amplificadores de potência GaN HEMT usando esta tecnologia, com o objetivo de comercializar alta potência de saída, amplificadores de potência GaN HEMT de alta frequência para uso em aplicações como sistemas de radar, incluindo radar meteorológico, e sistemas de comunicação sem fio 5G até o ano fiscal de 2020.