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，用于研究基于藍寶石襯底的氮極性（N 極性）HEMT GaN 器件。

　　據(jù)介紹，新項目建立在 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，重點是 N 極 GaN，該技術(shù)已被證明可以帶來更大的好處比當今更常用的用于射頻和毫米波應用的鎵極性（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 將探索使用藍寶石襯底來實現(xiàn) N 極性 GaN 解決方案的更高成本效率。預計工作輸出將產(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 的團隊將滿足以下有關(guān) N 極性 GaN-on-Sapphire 的計劃目標：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)在打算探索一種藍寶石襯底替代品，將根據(jù)性能、成本和可制造性進行分析，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)在的目標是打下這個基礎(chǔ)，讓我們的射頻外延客戶能夠以美元實現(xiàn)更高效的射頻功率?！?“為此目的，藍寶石是一種有吸引力的材料選擇，但由于其導熱性低，因此歷來被忽視。我們相信，通過創(chuàng)新工程，項目團隊可以克服這一限制，并且很高興有機會為 GaN RF 行業(yè)設(shè)定該基準?！?/p>

　　N 極 GaN 技術(shù)最初是在加州大學圣巴巴拉分校 （UCSB） 的 Umesh Mishra 博士的領(lǐng)導下開發(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 以進一步開發(fā)這項技術(shù)。他們進一步指出，N 極性 GaN 在高達 94 GHz 的頻率下具有非凡的效率，它在射頻/毫米波應用以及未來電力電子設(shè)備中的潛在價值很有吸引力。它已準備好直接使 DoD 系統(tǒng)以及 5G、6G 及更高版本的應用受益。

　　GaN 外延片可以在各種襯底上生長，包括藍寶石、硅、SiC 和純 GaN。正如預期的那樣，每種基材都有優(yōu)點和缺點。碳化硅襯底成本高，且晶圓尺寸有限。相比之下，據(jù)說藍寶石更具成本效益，并且在制造過程中受溫度的影響更小。

　　藍寶石最大的問題是它缺乏導熱性。

　　“從歷史上看，[藍寶石] 因其低導熱性而被忽視，”Mishra博士說?！拔覀兿嘈牛ㄟ^創(chuàng)新工程，項目團隊可以克服這一限制，并且很高興有機會為 GaN RF 行業(yè)設(shè)定該基準?！?/p>

　　Transphorm 可能需要用藍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。該團隊構(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 的一個團隊發(fā)表了第二篇論文，探討了 N 極性 GaN 在射頻/混合信號應用中的應用。N 極器件相對于 Ga 極器件的優(yōu)勢包括強背勢壘（這導致更好的夾斷特性）、低電阻率、歐姆接觸和改進的可擴展性。

　　根據(jù)該論文，從相位輔助分子束外延 （MBE） 到金屬有機化學氣相沉積 （MOCVD） 外延的轉(zhuǎn)變導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)紀錄的性能。

　　據(jù)說該團隊對 HEMT 結(jié)構(gòu)取得的進步提供了低柵極泄漏、增強的 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。

　　GaN基半導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、電力電子和照明應用。

　　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，在美國建立半導體制造基地有助于為行業(yè)帶來穩(wěn)定性和可靠性。