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瑞士保罗谢勒国家研究所开发出新型氮化镓铝镓氮晶体管异质结

www.p-e-china.com 2018/7/31 19:34:31 来源:互联网 电力电子论坛|免费发布产品

  [据物理学组织网站2018年7月11日报道] 近期,美国水星系统公司获海军2900万美元资助用于发展基于数字射频存储器技术的电子战系统。

  一直以来,电子产业界都期望能制造出性能可超越当今高频晶体管的新型高性能氮化镓晶体管。但是由于对材料基本特性不够了解,至今还没有突破性进展。最近,瑞士保罗谢勒国家研究所开发出首个基于二维电子气的新型氮化镓/铝镓氮晶体管异质结,为开发面向5G应用的高性能晶体管奠定了基础。研究人员使用世界最出色的保罗谢勒国家研究所瑞士光源(SLS)的软X射线源进行了实验测试,结果显示,当新型晶体管异质结工作在高功率范围时,电子在特定方向上的移动效率更高,这对于开发满足5G应用标准的高性能晶体管非常重要。此研究成果已发表在《自然通讯》杂志。

  智能手机和未来移动通信技术的发展,迫切需要新一代高性能半导体器件的出现:当今主流的3G/4G移动通信标准正在接近性能极限。全新的5G移动通信标准预计将于2020年投入使用,将提供100吉赫兹以上的更高频率、20吉字节/秒的数据传输速率、更高的网络密度和更高的功效。然而,使用传统晶体管和传统半导体技术无法制造出可满足5G应用要求的高频发射机。因此,全世界的研究人员都一直致力于开发出基于氮化镓的高电子迁移率晶体管器件,以替代传统晶体管。

  让电子更加自由

  半导体材料是构建小型化集成电路和电脑芯片的基本要素。通过特殊处理之后半导体材料才能够导电,在传统金属氧化物半导体晶体管器件中,一般通过选择性掺杂互补化学元素原子来实现,然而,这些外来的掺杂原子会与电子发生碰撞散射,使其运动速率减慢。高电子迁移率晶体管属于异质结场效应晶体管,又称为调制掺杂场效应晶体管或二维电子气场效应晶体管,1980年,由日本富士通公司的科学家三村高志率先研制成功,具有超高速、低功耗、低噪声等优点,可满足超高速计算、超高频(毫米波)信号处理、卫星通信等领域,被普遍认为是最有发展前途的高速电子器件。

  研究人员制备的新型氮化镓/铝镓氮晶体管异质结的氮化镓和氮化铝界面晶体结构具有六重对称性,沿原子链有六个相同的对称方向。为研究界面处电子流动情况,研究人员采用瑞士光源(SLS)的软X射线显微镜对新型异质结进行研究,该仪器只测量电子的速度而不测量电子的位置。

  实验测试研究

  研究人员采用角分辨光电子能谱对新型氮化镓/铝镓氮晶体管异质结进行了实验测试。到目前为止,利用该技术时所使用的光源波长都在紫外波段。为了将电子从异质结的深层导电层引导至测量仪器,获得实时的电子能量、运动速度和方向信息,瑞士保罗谢勒国家研究所的研究人员首次将高能X射线光应用到此技术当中。

  移动通信网络性能提升

  研究人员强调,在新型氮化镓/铝镓氮晶体管异质结研制过程中瑞士光源的高强度X射线源起到了至关重要的作用,研究工作获得的重要科学成果,为开发具有更高工作频率和性能的高电子迁移率晶体管结构指明了方向。研究结果表明,如果使氮化镓高电子迁移率晶体管中原子的排列方向与电子的流向进行匹配,将得到性能更加强大的晶体管。

  该研究成果有望进一步提升5G移动通信网络的性能。研究人员预计新型氮化镓/铝镓氮晶体管异质结将在未来新型移动通信发射器高电子迁移率晶体管研发中发挥重要作用。通过实验测试,研究人员估计,新技术能使无线电发射器性能提高10个百分点。对于移动通信网络建设来说,这意味着只需较少的传输站就能提供足够的网络覆盖能力和电力,从而使移动通信网络的维护和能源成本减少数百万美元。(工业和信息化部电子第一研究所 李铁成)

 

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