Transphorm Inc 是 HEMT GaN 技術(shù)的領(lǐng)先開發(fā)商,他們最近獲得了一份價值 140 萬美元的新 DARPA 研究合同,用于研究基于藍(lán)寶石襯底的氮極性(N 極性)HEMT GaN 器件。
據(jù)介紹,新項(xiàng)目建立在 Transphorm 的歷史以及與海軍研究辦公室 (ONR) 的持續(xù)合作基礎(chǔ)上,為 RF GaN 外延片建立國內(nèi)資源和供應(yīng),重點(diǎn)是 N 極 GaN,該技術(shù)已被證明可以帶來更大的好處比當(dāng)今更常用的用于射頻和毫米波應(yīng)用的鎵極性(Ga 極性)GaN。與傳統(tǒng)的碳化硅 (SiC) 上的 Ga 極性解決方案相比,Transphorm 將探索使用藍(lán)寶石襯底來實(shí)現(xiàn) N 極性 GaN 解決方案的更高成本效率。預(yù)計(jì)工作輸出將產(chǎn)生穩(wěn)定、高質(zhì)量的薄外延結(jié)構(gòu),其能力由高性能晶體管建立。
Transphorm 的團(tuán)隊(duì)將滿足以下有關(guān) N 極性 GaN-on-Sapphire 的計(jì)劃目標(biāo):建立整體價值主張、定義高性能參數(shù)空間和定義構(gòu)建外延片的可行性。
Transphorm專注于在包括碳化硅 (SiC) 在內(nèi)的各種襯底上開發(fā)氮極性 GaN外延片。然而,該公司現(xiàn)在打算探索一種藍(lán)寶石襯底替代品,將根據(jù)性能、成本和可制造性進(jìn)行分析,以用于射頻/毫米波無線電技術(shù)。
Transphorm 的首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Mishra 博士說:“現(xiàn)在的目標(biāo)是打下這個基礎(chǔ),讓我們的射頻外延客戶能夠以美元實(shí)現(xiàn)更高效的射頻功率?!?“為此目的,藍(lán)寶石是一種有吸引力的材料選擇,但由于其導(dǎo)熱性低,因此歷來被忽視。我們相信,通過創(chuàng)新工程,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)可以克服這一限制,并且很高興有機(jī)會為 GaN RF 行業(yè)設(shè)定該基準(zhǔn)?!?/p>
N 極 GaN 技術(shù)最初是在加州大學(xué)圣巴巴拉分校 (UCSB) 的 Umesh Mishra 博士的領(lǐng)導(dǎo)下開發(fā)的,作為各種高電子遷移率晶體管 (HEMT)。2007 年,Mishra 博士繼續(xù)創(chuàng)立 Transphorm 以進(jìn)一步開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。他們進(jìn)一步指出,N 極性 GaN 在高達(dá) 94 GHz 的頻率下具有非凡的效率,它在射頻/毫米波應(yīng)用以及未來電力電子設(shè)備中的潛在價值很有吸引力。它已準(zhǔn)備好直接使 DoD 系統(tǒng)以及 5G、6G 及更高版本的應(yīng)用受益。
GaN 外延片可以在各種襯底上生長,包括藍(lán)寶石、硅、SiC 和純 GaN。正如預(yù)期的那樣,每種基材都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。碳化硅襯底成本高,且晶圓尺寸有限。相比之下,據(jù)說藍(lán)寶石更具成本效益,并且在制造過程中受溫度的影響更小。
藍(lán)寶石最大的問題是它缺乏導(dǎo)熱性。
“從歷史上看,[藍(lán)寶石] 因其低導(dǎo)熱性而被忽視,”Mishra博士說。“我們相信,通過創(chuàng)新工程,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)可以克服這一限制,并且很高興有機(jī)會為 GaN RF 行業(yè)設(shè)定該基準(zhǔn)?!?/p>
Transphorm 可能需要用藍(lán)寶石克服的另一個問題是與GaN的晶格失配,尤其是與 SiC 相比。這種不匹配會對器件性能產(chǎn)生不利影響。
由 Misra 博士領(lǐng)導(dǎo)的初步研究論文 (2007) 展示了開發(fā) HEMT N 極性 GaN 器件的早期潛力。該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的器件生長在 C 面 SiC 襯底上,由 GaN/AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)組成。
在開發(fā)該設(shè)備時,研究人員必須解決幾個缺陷,包括脈沖大信號電流崩潰和柵極泄漏。
2013 年,UCSB 的一個團(tuán)隊(duì)發(fā)表了第二篇論文,探討了 N 極性 GaN 在射頻/混合信號應(yīng)用中的應(yīng)用。N 極器件相對于 Ga 極器件的優(yōu)勢包括強(qiáng)背勢壘(這導(dǎo)致更好的夾斷特性)、低電阻率、歐姆接觸和改進(jìn)的可擴(kuò)展性。
根據(jù)該論文,從相位輔助分子束外延 (MBE) 到金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 外延的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了更高性能射頻器件的發(fā)展。
2019 年,Mishra 研究小組 (UCSB) 展示了使用 N 極性 GaN 技術(shù)的毫米波功率傳輸創(chuàng)紀(jì)錄的性能。
據(jù)說該團(tuán)隊(duì)對 HEMT 結(jié)構(gòu)取得的進(jìn)步提供了低柵極泄漏、增強(qiáng)的 2D 電子氣 (2DEG) 和電荷限制以及 DC-RF 色散控制。
從根本上說,N 極 HEMT 據(jù)說比傳統(tǒng)的 Ga 極器件具有明顯更好的高頻毫米波特性。具體來說,據(jù)說它“突破”了 Ga 極性器件的 POUT飽和點(diǎn)。
GaN基半導(dǎo)體已開始在毫米波無線電技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用,包括雷達(dá)、電力電子和照明應(yīng)用。
N 極性 HEMT GaN 器件的性能特征肯定看起來很有希望。Transphorm 的增長表明市場對其技術(shù)的接受度。最后,在美國建立半導(dǎo)體制造基地有助于為行業(yè)帶來穩(wěn)定性和可靠性。