康奈爾大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新型晶體管架構(gòu)，該技術(shù)有望重塑高功率無線電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)范式，同時(shí)能緩解關(guān)鍵半導(dǎo)體材料的供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)。這種名為XHEMT的器件在氮化鋁單晶襯底上生長(zhǎng)了超薄氮化鎵層。氮化鋁作為超寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有缺陷密度低、耐高壓高溫、可減少電能損耗等優(yōu)異特性。
該研究成果于11月29日發(fā)表在《Advanced Electronic Materials》期刊上，由電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院、材料科學(xué)與工程系、康奈爾大學(xué)卡弗里納米科學(xué)研究所（the Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science）的William L. Quackenbush講席教授Huili Grace Xing、David E. Burr講席教授Debdeep Jena共同指導(dǎo)，博士生Eungkyun Kim主導(dǎo)完成。
XHEMT專為射頻功率放大器設(shè)計(jì)，這類放大器是5G/6G無線網(wǎng)絡(luò)和國(guó)防雷達(dá)系統(tǒng)的核心部件，需要在高頻環(huán)境下傳輸大功率電能，但由此產(chǎn)生的熱量會(huì)制約性能表現(xiàn)。"氮化鋁襯底具有更高的熱導(dǎo)率，能有效降低溝道溫度，"Kim解釋道，"這為提升通信距離或雷達(dá)探測(cè)能力創(chuàng)造了可能。"
該器件采用全晶格匹配結(jié)構(gòu)，使晶體缺陷較傳統(tǒng)Si、SiC或藍(lán)寶石襯底基氮化鎵器件降低約百萬倍。"缺陷會(huì)貫穿整個(gè)器件，而新型氮化鋁單晶襯底能從根本上消除這一問題，"Xing強(qiáng)調(diào)，"雖然還需深入研究，但這將為器件迭代帶來巨大優(yōu)勢(shì)。"
隨著高性能電子產(chǎn)品需求增長(zhǎng)，從手機(jī)充電器到通信基站廣泛使用的氮化鎵材料面臨供應(yīng)挑戰(zhàn)。"超過90%的鎵產(chǎn)自境外，且半導(dǎo)體領(lǐng)域需求已引發(fā)出口限制，"Jena指出，"通過這種氮化鋁基XHEMT器件，我們實(shí)現(xiàn)了鎵用量的數(shù)量級(jí)削減。"
本研究使用的氮化鋁單晶襯底由紐約州Albany的Crystal IS公司提供，全球僅少數(shù)廠商能制備滿足器件要求的優(yōu)質(zhì)材料。"氮化鋁襯底此前多用于光子學(xué)領(lǐng)域，這項(xiàng)研究真正打開了電子應(yīng)用的大門，"Jena表示，"我們證明了利用美國(guó)本土生產(chǎn)的半導(dǎo)體材料同樣能創(chuàng)造新價(jià)值。"
該技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程已取得重要突破：據(jù)12月1日《APL材料》期刊報(bào)道，研究人員已在3英寸氮化鋁晶圓上實(shí)現(xiàn)XHEMT結(jié)構(gòu)的晶圓級(jí)生長(zhǎng)，相關(guān)工作獲得東北區(qū)域國(guó)防技術(shù)中心，即NORDTECH的支持。
器件中的材料層由博士生Yu-Hsin Chen和研究助理Jimy Encomendero在康奈爾大學(xué)完成開發(fā)，應(yīng)用物理工程學(xué)院的Samuel B. Eckert工程講席教授David Muller與博士生Naomi Pieczulewski負(fù)責(zé)原子結(jié)構(gòu)表征。研究獲得陸軍研究辦公室（the Army Research Office）、國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARP, the Defense Advanced Research Projects Agency）和旭化成公司（Asahi-Kasei Corporation）的資助，部分實(shí)驗(yàn)在受國(guó)家科學(xué)基金會(huì)支持的康奈爾納米尺度設(shè)施和材料研究中心完成。
