Транзистор из нитрида алюминия для радиочастотной энергии нового поколения

Инженеры Корнелла представили транзисторную архитектуру на основе нитрида алюминия, которая может изменить траекторию развития мощных беспроводных систем от инфраструктуры 5G и ранних версий 6G к современным радарам.Новое устройство, XHEMT, построенное на объемном монокристаллическом нитриде алюминия (AlN), обещает более высокую плотность мощности, более низкую температуру работы и значительно меньшее количество дефектов материала, чем сегодняшние платформы из нитрида галлия.

В центре прорыва находится пакет материалов с согласованной решеткой: ультратонкий слой нитрида галлия (GaN), выращенный на AlN, полупроводнике со сверхширокозонной зоной с естественно низкой плотностью дефектов и превосходной теплопроводностью.Такое соединение позволяет транзистору выдерживать более высокие температуры и высокое напряжение, в то время как ограничение электрических характеристик теряет ключевые требования, поскольку радиочастотные системы все глубже проникают на территорию высокочастотных миллиметровых волн.

Для радиочастотных усилителей мощности, которые управляют всем, от телекоммуникационных сетей до оборонных радаров, нагрев остается узким местом в производительности.Исследователи Корнелла сообщают, что высокая теплопроводность AlN позволяет поддерживать температуру каналов значительно ниже, чем в устройствах GaN, выращенных на кремнии, карбиде кремния или сапфире.По их словам, такой тепловой запас может расширить дальность связи, повысить мощность радара и повысить долгосрочную надежность устройства.

Еще одним последствием использования подложки AlN является уменьшение дефектов.Пакет XHEMT устраняет кристаллические дефекты примерно в миллион раз по сравнению с традиционными HEMT GaN-на-кремнии или GaN-на-SiC.Меньшее количество дислокаций означает улучшенную мобильность носителей, лучшую однородность устройств и возможность увеличения срока эксплуатации. Факторы, которые определяют масштабируемость радиочастотных модулей следующего поколения.

Эта работа также имеет последствия для цепочки поставок.Спрос на GaN растет в зарядных устройствах, силовой электронике и радиочастотных узлах, однако более 90% мировых поставок галлия находится за пределами США. Экспортные ограничения и ужесточение доступности усиливают обеспокоенность.Используя лишь минимальное количество GaN, на несколько порядков меньше, чем стандартные GaN HEMT, архитектура XHEMT на основе AlN снижает воздействие узких мест, связанных с галлием.

Объемные кристаллы AlN, использованные в исследовании, были произведены на предприятии Crystal IS в Нью-Йорке, одной из немногих компаний, способных выращивать AlN с качеством приборного уровня.Недавние результаты также показывают рост XHEMT в масштабе пластины на 3-дюймовых подложках AlN, указывая на путь к технологической радиочастотной электронике, построенной на материалах, выращенных в США. Междисциплинарная команда Корнелла внесла свой вклад в разработку материалов, эпитаксиальный рост, проектирование устройств и определение характеристик в атомном масштабе, что стало важной вехой в сверхширокозонной радиочастотной технологии.