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    InAlGaN晶体管实现了最高输出功率密度,怎么做到的?

    2019-01-31 11:19:55 来源:互联网
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    日本富士通研究所近期报道了在金刚石热控制的基础上,适用于碳化硅(SiC)上~3GHz InAlGaN高电子迁移率晶体管(HEMT)[Toshihiro Ohki et al, IEEE Electron Device Letters, published online 5  December 2018]。其中热管理是实现更高功率密度的关键步骤。 金刚石是一种具有非常高导热性的材料。

     

    该团队称:“?#20040;?#26377;SiC /金刚石粘合散热器的InAlGaN / GaN HEMT,实现了22.3W / mm的高输出功率密度。这是目前GaN HEMT中最高的输出功率密度,在该款HEMT中的S波段具有添加了铟的阻挡层。“

     

    研究人员发现基于GaN通道中电子流的高电压和高?#30340;?#21147;,在微波高功率放大器中有很好的应用。在保证不失真的强信号传输中,需要具有高功率密度;在雷达系统中,高功率扩展了其检测?#27573;А?/p>

     

    因此在本研究中使用金属有机气相外延(MOVPE)在碳化硅上生长器件材料。其形成的异?#24335;?#26500;特征在于InGaN背?#35780;藎?#26088;在减少漏极电流泄漏。顶部InAlGaN顶部?#35780;?#22312;AlGaN间隔物上生长,以努力减小界面粗糙度以改善GaN沟道中的电子迁移率。

     

    金刚石热控制提高InAlGaN晶体管输出功率

    图1?#28023;╝)示意性横截面图(b)通过表面活化键合与金刚石(9mm×9mm)散热器结合的SiC衬底上的InAlGaN / GaN HEMT的照片。

     

    在顶部阻挡材?#29616;?#21253;括铟允许减小沟道中的薄层电阻而不增加结构中的拉伸应变,这是AlGaN顶部阻挡层不可避免的。富士通团队报告称,之前使用InAlGaN阻挡层实现了比W波段(75-110GHz)中的AlGaN / GaN HEMT更高的输出密度。

     

    W波段频率分配用于卫星通信,毫米波雷达研究,军用雷达目标和跟踪以及汽车巡航控制雷达。S波段(2-4GHz)应用还包括雷达,以及许多本地无线通信设备(WiFi,蓝牙等)。

     

    源极/漏极接触由再生长的n+ -GaN和钛/金电极组成。肖特基门是镍/金。 在将SiC生长衬底减薄至50μm并用化学机械抛光?#20132;?#21518;,将该器件粘合到金刚石上。

     

    通过用氩气束处理制备粘合表面以除去污染物并活化粘合表面,使SiC和金刚石之间的界面更具导热性。金刚石表面还包含在氩气暴露之前施加的薄金属层。

     

    研究人员称:“这一过程使金刚石表面形成的低密度损伤层受到抑制,因此大大提高了SiC与金刚石基板之间的结合强度。”

     

    通过光学显微镜检查粘合剂未发现任何空隙。利用机?#36947;?#21093;离器件与金刚石材料是困难的。这些特征均表明其之间具有低热阻的强键合。

     

    0.25μmx50μm栅极的HEMT实现了1058mA / mm的最大漏极电流和488mS / mm的峰值跨导。夹断时的三端?#19981;?#31359;电压为257V。研究人员认为,高击穿电压是InAlGaN阻挡层高生长温度的结果,其晶体质量高于InAlN阻挡层。研究人员还说,击穿强度与用相同方式制造的AlGaN / GaN HEMT所达到的击穿强度相?#34180;?/p>

     

    研究人员还用红外相机评估了该HEMT的热性能。在金刚石散热器上,器件温度达到120°C,输入功率为12W。而如果没有金刚石进行热控制,它只需要4W就能超过120°C。对于金刚石-HEMT,100°C左右的热阻为7.2°C / W,但如果没有散热器则会增加到18.8°C / W。

     

    在3GHz附近的S波段进行微波负载牵引测量,结果表明饱和输出功率为19.8W / mm,金刚石总栅极宽度为1mm,占空比为10μs,脉冲为10μs。没有金刚石进行热控制管理,则功率仅达到14.8W / mm。占空比为1%?#20445;?#37329;刚石的功率增加到22.3W / mm,如图2所示。1%占空比功率附?#26377;?#29575;(PAE)计算为47%,线性增益为25.1dB。

     

    金刚石热控制提高InAlGaN晶体管输出功率

     

    图2:具有金刚石散热器的InAlGaN / GaN HEMT的功率特性通过在S波段的1%脉冲条件下的负载牵引测量来评估。

     

    研究人员指出,他们的工作受到测量设备最大电压的限制,更高的漏极偏压(超过100V)可以产生更好的结果。 然而,对于金刚石-HEMT,10%占空比脉冲出现了显著的热?#21040;?#29616;象,在雷达和无线通信设备中,10%的占空比是很常见的。

     

    由于该器件目前没有使用先进的场控制结构,该团队希望后续可以对栅极和漏极之间的电位进行调制,并?#26723;?#26629;极边缘处电场的大小。据预测,未来的性能指标会包括迄今为止通过S波段AlGaN / GaN HEMT实现的40W / mm功率密度。

     
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