Tranzystor z azotku glinu do zasilania RF nowej generacji

Inżynierowie z firmy Cornell zaprezentowali architekturę tranzystorów na bazie azotku glinu, która może zmienić trajektorię systemów bezprzewodowych dużej mocy, z infrastruktury 5G i wczesnej 6G po zaawansowany radar.Nowe urządzenie, XHEMT zbudowane na bazie monokrystalicznego azotku glinu (AlN), zapewnia wyższą gęstość mocy, chłodniejszą pracę i znacznie mniej defektów materiałowych niż dzisiejsze platformy z azotku galu.

Podstawą przełomu jest stos materiałów dopasowanych do sieci: ultracienka warstwa azotku galu (GaN) naniesiona na AlN, półprzewodnik o ultraszerokiej przerwie wzbronionej o naturalnie niskiej gęstości defektów i doskonałej przewodności cieplnej.Takie połączenie pozwala tranzystorowi wytrzymać wyższą temperaturę i wyższe napięcie, jednocześnie ograniczając utratę kluczowych wymagań elektrycznych, gdy systemy RF wnikają głębiej w obszar fal milimetrowych o wysokiej częstotliwości.

W przypadku wzmacniaczy mocy pracujących na częstotliwości radiowej, które napędzają wszystko, od sieci telekomunikacyjnych po radary obronne, wąskim gardłem w wydajności pozostaje ciepło.Naukowcy z Cornell podają, że wysoka przewodność cieplna AlN utrzymuje temperaturę kanałów znacznie niższą niż w przypadku urządzeń GaN hodowanych na krzemie, węgliku krzemu lub szafirze.Twierdzą, że ten zapas ciepła mógłby zwiększyć zasięg komunikacji, zwiększyć moc radaru i poprawić długoterminową niezawodność urządzenia.

Kolejną konsekwencją podłoża AlN jest redukcja defektów.Stos XHEMT eliminuje około milion razy defekty krystaliczne w porównaniu z konwencjonalnymi HEMT GaN na krzemie lub GaN na SiC.Mniej dyslokacji oznacza lepszą mobilność nośników, lepszą jednorodność urządzeń i potencjał dłuższej żywotności operacyjnej. Czynniki determinujące skalowalność modułów RF nowej generacji.

Praca ta niesie także konsekwencje dla łańcucha dostaw.Zapotrzebowanie na GaN rośnie w ładowarkach, urządzeniach energoelektronicznych i węzłach RF, jednak ponad 90% światowych dostaw galu znajduje się poza Stanami Zjednoczonymi. Ograniczenia eksportowe i coraz większa dostępność zwiększyły obawy.Dzięki zastosowaniu jedynie minimalnej ilości GaN o kilka rzędów wielkości mniejszej niż standardowe HEMT GaN, architektura XHEMT oparta na AlN zmniejsza narażenie na wąskie gardła galu.

Kryształy AlN użyte w badaniach zostały wyprodukowane w firmie Crystal IS w Nowym Jorku, jednej z niewielu firm, które są w stanie hodować AlN z jakością na poziomie urządzeń.Ostatnie wyniki pokazują również wzrost XHEMT w skali płytki na 3-calowych podłożach AlN, wskazując ścieżkę w kierunku możliwej do wyprodukowania elektroniki RF zbudowanej z materiałów wytwarzanych w USA. Interdyscyplinarny zespół Cornella wniósł wkład w rozwój materiałów, wzrost epitaksjalny, projektowanie urządzeń i charakterystykę w skali atomowej, co stanowi znaczący kamień milowy w technologii RF o ultraszerokiej przerwie energetycznej.