Aluminiumnitride-transistor voor RF-vermogen van de volgende generatie

Cornell-ingenieurs hebben een op aluminiumnitride gebaseerde transistorarchitectuur onthuld die het traject van krachtige draadloze systemen zou kunnen verschuiven, van 5G- en vroege 6G-infrastructuur naar geavanceerde radar.Het nieuwe apparaat, een XHEMT gebouwd op bulk single-crystal aluminiumnitride (AlN), belooft hogere vermogensdichtheden, koelere werking en dramatisch minder materiaaldefecten dan de huidige galliumnitrideplatforms.

Centraal in de doorbraak staat een op roosters afgestemde materiaalstapel: een ultradunne laag galliumnitride (GaN) gegroeid op AlN, een halfgeleider met ultrabrede bandafstand met van nature lage defectdichtheden en superieure thermische geleidbaarheid.Door deze koppeling kan de transistor hetere werking met een hogere spanning weerstaan, terwijl het terugdringen van elektriciteit belangrijke vereisten verliest naarmate RF-systemen dieper in het hoogfrequente millimetergolfgebied dringen.

Voor radiofrequentie-vermogensversterkers, die alles aansturen, van telecom-backhaul tot defensieradar, blijft hitte een prestatieknelpunt.De onderzoekers van Cornell melden dat de hoge thermische geleidbaarheid van AlN de kanaaltemperaturen aanzienlijk lager houdt dan in GaN-apparaten die op silicium, siliciumcarbide of saffier zijn gekweekt.Die thermische speelruimte zou volgens hen het communicatiebereik kunnen vergroten, het radarvermogen kunnen vergroten en de betrouwbaarheid van apparaten op de lange termijn kunnen verbeteren.

Een ander gevolg van het AlN-substraat is defectreductie.De XHEMT-stack elimineert ruwweg een miljoenvoudige kristallijne defecten in vergelijking met conventionele GaN-op-silicium- of GaN-op-SiC-HEMT's.Minder dislocaties betekenen verbeterde dragermobiliteit, betere apparaatuniformiteit en het potentieel voor langere operationele levensduurfactoren die de schaalbaarheid van de volgende generatie RF-modules bepalen.

Het werk heeft ook implicaties voor de toeleveringsketen.De vraag naar GaN stijgt voor laders, vermogenselektronica en RF-knooppunten, maar toch bevindt meer dan 90% van het galliumaanbod in de wereld zich buiten de VS. Exportbeperkingen en een krappere beschikbaarheid hebben de zorgen vergroot.Door slechts een minimale hoeveelheid GaN te gebruiken, een aantal ordes van grootte minder dan standaard GaN-HEMT's, vermindert de op AlN gebaseerde XHEMT-architectuur de blootstelling aan galliumknelpunten.

De bulk AlN-kristallen die in het onderzoek zijn gebruikt, zijn geproduceerd met Crystal IS in New York, een van de weinige bedrijven die in staat zijn AlN te kweken met apparaatkwaliteit.Recente resultaten laten ook XHEMT-groei op waferschaal zien op 3-inch AlN-substraten, wat wijst op een pad naar produceerbare RF-elektronica gebouwd op in de VS geteelde materialen. Het interdisciplinaire team van Cornell heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van materialen, epitaxiale groei, apparaatontwerp en karakterisering op atomaire schaal, wat een belangrijke mijlpaal markeert in RF-technologie met ultrabrede bandafstand.