Fujitsu Limited et Fujitsu Laboratories Ltd. ont annoncé aujourd'hui avoir développé une structure cristalline qui augmente à la fois le courant et la tension dans les transistors à haute mobilité électronique (HEMT) au nitrure de gallium (GaN), tripler efficacement la puissance de sortie des transistors utilisés pour les émetteurs dans la bande des micro-ondes. La technologie GaN HEMT peut servir d'amplificateur de puissance pour des équipements tels que les radars météorologiques. En appliquant la nouvelle technologie à ce domaine, il est prévu que la portée d'observation du radar soit augmentée de 2,3 fois, permettant une détection précoce des cumulonimbus qui peuvent se transformer en pluies torrentielles.

Pour élargir la plage d'observation des équipements comme le radar, il est indispensable d'augmenter la puissance de sortie des transistors utilisés dans les amplificateurs de puissance. Avec la technologie conventionnelle, cependant, appliquer une haute tension pourrait facilement endommager les cristaux qui composent un transistor. Par conséquent, il était techniquement difficile d'augmenter le courant et la tension simultanément, qui est nécessaire pour réaliser des HEMT GaN à haute puissance de sortie.

Fujitsu et les Laboratoires Fujitsu ont maintenant développé une structure cristalline qui améliore la tension de fonctionnement en dispersant la tension appliquée au transistor, et empêche ainsi les dommages aux cristaux (brevet en instance). Cette technologie a permis à Fujitsu d'atteindre avec succès la densité de puissance la plus élevée au monde à 19,9 watts par millimètre de largeur de grille pour GaN HEMT utilisant une couche barrière de nitrure d'indium-aluminium-gallium (InAlGaN).

Cette recherche a été partiellement financée par l'Initiative scientifique et technologique innovante pour la sécurité, établi par l'Acquisition, Technology &Logistics Agency (ATLA) du ministère japonais de la Défense. Les détails de cette technologie seront annoncés lors du Symposium international sur la croissance des III-Nitrides (ISGN-7), une conférence internationale sur la croissance cristalline des semi-conducteurs de nitrure, tenue à Varsovie, Pologne, du 5 au 10 août.

Contexte de développement

Les HEMT GaN ont été largement utilisés comme amplificateurs de puissance haute fréquence dans les applications d'ondes radio longue distance, comme les radars et les communications sans fil. Il est également prévu qu'ils soient utilisés pour les radars météorologiques afin d'observer avec précision les pluies torrentielles localisées, ainsi que dans les communications sans fil en bande millimétrique pour les communications mobiles de cinquième génération (5G). La portée des micro-ondes des bandes micro-ondes et ondes millimétriques utilisées pour les communications radar et sans fil peut être étendue en augmentant la puissance de sortie des amplificateurs de puissance GaN HEMT haute fréquence utilisés pour l'émetteur. Cela permet une portée d'observation radar étendue ainsi que des communications à plus longue distance et à plus grande capacité.

Les Laboratoires Fujitsu mènent des recherches sur les HEMT GaN depuis le début des années 2000, et fournit actuellement les HEMT au nitrure d'aluminium-gallium (AlGaN) utilisés dans divers domaines. Récemment, Les laboratoires Fujitsu ont mené des recherches sur les HEMT au nitrure d'indium-aluminium-gallium (InAlGaN) en tant que technologie HEMT GaN de nouvelle génération, ce qui permet un fonctionnement à courant élevé lorsque des électrons à haute densité deviennent disponibles. Par conséquent, Fujitsu et les Laboratoires Fujitsu ont développé une structure cristalline qui permet d'obtenir simultanément un courant élevé et une tension élevée.

Afin d'améliorer la puissance de sortie d'un transistor, il est nécessaire de réaliser à la fois un fonctionnement à courant élevé et à haute tension. Des recherches sont en cours pour les HEMT en nitrure d'indium-aluminium-gallium (InAlGaN) pour la prochaine génération de HEMT GaN qui contribueraient à augmenter le courant, car les HEMT InAlGaN peuvent augmenter la densité électronique dans le transistor. Lorsque la haute tension est appliquée, cependant, une quantité excessive de tension se concentre sur une partie de la couche d'alimentation en électrons, endommager les cristaux dans les transistors. Par conséquent, ces transistors présentaient un grave problème par lequel leur tension de fonctionnement ne pouvait pas être augmentée [Figure 1].

Fujitsu et les Laboratoires Fujitsu ont réussi à développer un transistor qui peut fournir à la fois un courant élevé et une tension élevée en insérant une couche d'espacement en AlGaN à haute résistance entre la couche d'alimentation en électrons et la couche de canal électronique.

Pour les HEMT InAlGaN conventionnels, toute la tension appliquée entre les électrodes de grille et de drain a été appliquée à la couche d'alimentation en électrons, et de nombreux électrons ayant une énergie cinétique élevée ont été générés dans la couche d'alimentation en électrons. Ensuite, ces électrons heurteraient violemment les atomes qui composent la structure cristalline, causant des dommages. À la suite de ce phénomène, il y avait une limite à la tension de fonctionnement maximale du transistor.

En insérant la nouvelle couche d'espacement AlGaN hautement résistante, la tension à l'intérieur du transistor peut être dispersée à travers à la fois la couche d'alimentation en électrons et la couche d'espacement en AlGaN. En atténuant la concentration de tension, l'augmentation de l'énergie cinétique des électrons à l'intérieur du cristal est supprimée et l'endommagement de la couche d'alimentation en électrons peut être évité, conduisant à une tension de fonctionnement améliorée jusqu'à 100 volts. Cette tension de fonctionnement correspond à plus de 300, 000 volts si la distance entre l'électrode source et l'électrode grille est d'un centimètre.

Effets

En insérant cette nouvelle couche d'espacement AlGaN dans les HEMT InAlGaN, Fujitsu et les Laboratoires Fujitsu ont atteint à la fois un fonctionnement à courant élevé et à haute tension, ce qui était traditionnellement difficile à réaliser. Par ailleurs, en appliquant la technologie de collage de substrat de diamant monocristallin développée par Fujitsu en 2017, la génération de chaleur à l'intérieur du transistor peut être efficacement dissipée à travers un substrat en diamant, permettant des opérations stables. Lorsque les HEMT GaN avec cette structure cristalline ont été mesurés dans des tests réels, ils ont atteint avec succès la puissance de sortie la plus élevée au monde de 19,9 watts par millimètre de largeur de porte, qui est trois fois supérieure à la puissance de sortie des HEMT AlGaN/GaN conventionnels.

Fujitsu et Fujitsu Laboratories procéderont à une évaluation de la résistance à la chaleur et des performances de sortie des amplificateurs de puissance GaN HEMT utilisant cette technologie, dans le but de commercialiser une puissance de sortie élevée, amplificateurs de puissance GaN HEMT haute fréquence pour une utilisation dans des applications telles que les systèmes radar, y compris le radar météorologique, et les systèmes de communication sans fil 5G d'ici l'exercice 2020.