차세대 RF 전력용 질화알루미늄 트랜지스터

코넬 엔지니어들은 5G 및 초기 6G 인프라에서 고급 레이더로 고전력 무선 시스템의 궤적을 전환할 수 있는 질화알루미늄 기반 트랜지스터 아키텍처를 공개했습니다.벌크 단결정 알루미늄 질화물(AlN)을 기반으로 제작된 XHEMT인 새로운 장치는 오늘날의 질화갈륨 플랫폼보다 더 높은 전력 밀도, 더 낮은 온도의 작동 및 극적으로 더 적은 재료 결함을 약속합니다.

혁신의 중심에는 격자 정합 재료 스택이 있습니다. 즉, 자연적으로 낮은 결함 밀도와 뛰어난 열 전도성을 갖춘 초광대역 밴드갭 반도체인 AlN 위에 성장한 초박형 질화갈륨(GaN) 층입니다.이 페어링을 통해 트랜지스터는 더 뜨겁고 더 높은 전압 작동을 견딜 수 있으며, RF 시스템이 고주파 밀리미터파 영역으로 더 깊이 들어가면서 전기를 억제하면 주요 요구 사항이 손실됩니다.

통신 백홀부터 국방 레이더까지 모든 것을 구동하는 무선 주파수 전력 증폭기의 경우 열은 여전히 ​​성능 병목 현상을 유발합니다.Cornell 연구진은 AlN의 높은 열 전도성이 실리콘, 탄화규소 또는 사파이어에서 성장한 GaN 장치보다 채널 온도를 훨씬 낮게 유지한다고 보고합니다.이러한 열 헤드룸은 통신 범위를 확장하고 레이더 성능을 높이며 장기적인 장치 신뢰성을 향상시킬 수 있다고 그들은 말합니다.

AlN 기판의 또 다른 결과는 결함 감소입니다.XHEMT 스택은 기존 GaN-on-silicon 또는 GaN-on-SiC HEMT에 비해 대략 백만 배에 달하는 결정 결함을 제거합니다.전위가 적다는 것은 캐리어 이동성이 향상되고 장치 균일성이 향상되며 차세대 RF 모듈의 확장성을 결정하는 작동 수명 요인이 길어질 가능성이 있음을 의미합니다.

이 작업은 공급망에도 영향을 미칩니다.GaN 수요는 충전기, 전력 전자 장치 및 RF 노드 전반에 걸쳐 증가하고 있지만 전 세계 갈륨 공급의 90% 이상이 미국 수출 제약과 강화되는 가용성으로 인해 우려가 증폭되었습니다.AlN 기반 XHEMT 아키텍처는 표준 GaN HEMT보다 몇 배 더 적은 최소량의 GaN만 사용함으로써 갈륨 병목 현상에 대한 노출을 줄입니다.

연구에 사용된 벌크 AlN 결정은 장치급 품질로 AlN을 성장시킬 수 있는 몇 안 되는 회사 중 하나인 뉴욕의 ​​Crystal IS를 통해 생산되었습니다.최근 결과는 또한 3인치 AlN 기판에서 웨이퍼 규모의 XHEMT 성장을 보여주며, 이는 미국산 재료를 기반으로 제조 가능한 RF 전자 장치를 향한 길을 제시합니다. Cornell의 학제간 팀은 재료 개발, 에피택셜 성장, 장치 설계 및 원자 규모 특성화 전반에 기여하여 초광대역 밴드갭 RF 기술에 중요한 이정표를 세웠습니다.