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    InAlGaN晶體管實現了最高輸出功率密度,怎么做到的?

    2019-01-31 11:19:55 來源:互聯網
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    日本富士通研究所近期報道了在金剛石熱控制的基礎上,適用于碳化硅(SiC)上~3GHz InAlGaN高電子遷移率晶體管(HEMT)[Toshihiro Ohki et al, IEEE Electron Device Letters, published online 5  December 2018]。其中熱管理是實現更高功率密度的關鍵步驟。 金剛石是一種具有非常高導熱性的材料。

     

    該團隊稱:“該帶有SiC /金剛石粘合散熱器的InAlGaN / GaN HEMT,實現了22.3W / mm的高輸出功率密度。這是目前GaN HEMT中最高的輸出功率密度,在該款HEMT中的S波段具有添加了銦的阻擋層。“

     

    研究人員發現基于GaN通道中電子流的高電壓和高頻能力,在微波高功率放大器中有很好的應用。在保證不失真的強信號傳輸中,需要具有高功率密度;在雷達系統中,高功率擴展了其檢測范圍。

     

    因此在本研究中使用金屬有機氣相外延(MOVPE)在碳化硅上生長器件材料。其形成的異質結構特征在于InGaN背勢壘,旨在減少漏極電流泄漏。頂部InAlGaN頂部勢壘在AlGaN間隔物上生長,以努力減小界面粗糙度以改善GaN溝道中的電子遷移率。

     

    金剛石熱控制提高InAlGaN晶體管輸出功率

    圖1:(a)示意性橫截面圖(b)通過表面活化鍵合與金剛石(9mm×9mm)散熱器結合的SiC襯底上的InAlGaN / GaN HEMT的照片。

     

    在頂部阻擋材料中包括銦允許減小溝道中的薄層電阻而不增加結構中的拉伸應變,這是AlGaN頂部阻擋層不可避免的。富士通團隊報告稱,之前使用InAlGaN阻擋層實現了比W波段(75-110GHz)中的AlGaN / GaN HEMT更高的輸出密度。

     

    W波段頻率分配用于衛星通信,毫米波雷達研究,軍用雷達目標和跟蹤以及汽車巡航控制雷達。S波段(2-4GHz)應用還包括雷達,以及許多本地無線通信設備(WiFi,藍牙等)。

     

    源極/漏極接觸由再生長的n+ -GaN和鈦/金電極組成。肖特基門是鎳/金。 在將SiC生長襯底減薄至50μm并用化學機械拋光平滑后,將該器件粘合到金剛石上。

     

    通過用氬氣束處理制備粘合表面以除去污染物并活化粘合表面,使SiC和金剛石之間的界面更具導熱性。金剛石表面還包含在氬氣暴露之前施加的薄金屬層。

     

    研究人員稱:“這一過程使金剛石表面形成的低密度損傷層受到抑制,因此大大提高了SiC與金剛石基板之間的結合強度。”

     

    通過光學顯微鏡檢查粘合劑未發現任何空隙。利用機械來剝離器件與金剛石材料是困難的。這些特征均表明其之間具有低熱阻的強鍵合。

     

    0.25μmx50μm柵極的HEMT實現了1058mA / mm的最大漏極電流和488mS / mm的峰值跨導。夾斷時的三端硬擊穿電壓為257V。研究人員認為,高擊穿電壓是InAlGaN阻擋層高生長溫度的結果,其晶體質量高于InAlN阻擋層。研究人員還說,擊穿強度與用相同方式制造的AlGaN / GaN HEMT所達到的擊穿強度相當。

     

    研究人員還用紅外相機評估了該HEMT的熱性能。在金剛石散熱器上,器件溫度達到120°C,輸入功率為12W。而如果沒有金剛石進行熱控制,它只需要4W就能超過120°C。對于金剛石-HEMT,100°C左右的熱阻為7.2°C / W,但如果沒有散熱器則會增加到18.8°C / W。

     

    在3GHz附近的S波段進行微波負載牽引測量,結果表明飽和輸出功率為19.8W / mm,金剛石總柵極寬度為1mm,占空比為10μs,脈沖為10μs。沒有金剛石進行熱控制管理,則功率僅達到14.8W / mm。占空比為1%時,金剛石的功率增加到22.3W / mm,如圖2所示。1%占空比功率附加效率(PAE)計算為47%,線性增益為25.1dB。

     

    金剛石熱控制提高InAlGaN晶體管輸出功率

     

    圖2:具有金剛石散熱器的InAlGaN / GaN HEMT的功率特性通過在S波段的1%脈沖條件下的負載牽引測量來評估。

     

    研究人員指出,他們的工作受到測量設備最大電壓的限制,更高的漏極偏壓(超過100V)可以產生更好的結果。 然而,對于金剛石-HEMT,10%占空比脈沖出現了顯著的熱降解現象,在雷達和無線通信設備中,10%的占空比是很常見的。

     

    由于該器件目前沒有使用先進的場控制結構,該團隊希望后續可以對柵極和漏極之間的電位進行調制,并降低柵極邊緣處電場的大小。據預測,未來的性能指標會包括迄今為止通過S波段AlGaN / GaN HEMT實現的40W / mm功率密度。

     
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