Transphorm Inc 是 HEMT GaN 技術(shù)的領(lǐng)先開(kāi)發(fā)商，他們最近獲得了一份價(jià)值 140 萬(wàn)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(guó)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(lái)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(lái)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(jià)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(kāi)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(wú)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(shuō)：“現(xiàn)在的目標(biāo)是打下這個(gè)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(lái)被忽視。我們相信，通過(guò)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(huì)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(kāi)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(kāi)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(lái)電力電子設(shè)備中的潛在價(jià)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(zhǎng)，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(shuō)藍(lán)寶石更具成本效益，并且在制造過(guò)程中受溫度的影響更小。

　　藍(lán)寶石最大的問(wèn)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(shuō)。“我們相信，通過(guò)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(huì)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(gè)問(wèn)題是與GaN的晶格失配，尤其是與 SiC 相比。這種不匹配會(huì)對(duì)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(kāi)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(zhǎng)在 C 面 SiC 襯底上，由 GaN/AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)組成。

　　在開(kāi)發(fā)該設(shè)備時(shí)，研究人員必須解決幾個(gè)缺陷，包括脈沖大信號(hào)電流崩潰和柵極泄漏。

　　2013 年，UCSB 的一個(gè)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(hào)應(yīng)用中的應(yīng)用。N 極器件相對(duì)于 Ga 極器件的優(yōu)勢(shì)包括強(qiáng)背勢(shì)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(shuō)該團(tuán)隊(duì)對(duì) 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(shuō)，N 極 HEMT 據(jù)說(shuō)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(lái)說(shuō)，據(jù)說(shuō)它“突破”了 Ga 極性器件的 POUT飽和點(diǎn)。

　　GaN基半導(dǎo)體已開(kāi)始在毫米波無(wú)線電技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)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(lái)很有希望。Transphorm 的增長(zhǎng)表明市場(chǎng)對(duì)其技術(shù)的接受度。最后，在美國(guó)建立半導(dǎo)體制造基地有助于為行業(yè)帶來(lái)穩(wěn)定性和可靠性。