日前，英國工程和物理科學(xué)研究委員會（EPSRC）授予英國布里斯托爾大學(xué)430萬英鎊，啟動了一個為期5年研發(fā)金剛石基氮化鎵（GaN）微波技術(shù)的重要項目，目標(biāo)是研發(fā)能滿足未來高功率射頻和微波通信的下一代GaN技術(shù)。

需求背景

研究團(tuán)隊表示，下一代GaN技術(shù)將支撐未來高功率射頻和微波通信、宇航和軍事系統(tǒng)，為5G和6G移動通信網(wǎng)絡(luò)和更復(fù)雜的雷達(dá)系統(tǒng)鋪平道路。在5G時代，每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)巨大，未來系統(tǒng)的需求量將更大；現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)中傳輸這些數(shù)據(jù)的微波器件沒有所需的能力。

Martin Kuball表示：“全球?qū)δ芴峁┏^現(xiàn)有技術(shù)功率密度的高功率微波電子器件的需求正在增長。特別是GaN高電子遷移率晶體管（HEMT），對高效率軍事和民用微波系統(tǒng)及不斷增長的可再生能源工廠，是一個重要的使能技術(shù)。”

研究目標(biāo)

該新項目的愿景是研發(fā)具有顛覆意義、能夠超越現(xiàn)有微波器件技術(shù)的金剛石基GaN HEMT和單片微波集成電路（MMIC）。

技術(shù)手段

這些微波器件中的能量流能達(dá)到與太陽表面的熱流一樣的水平，帶有超高熱傳導(dǎo)能力的金剛石是唯一能夠處理這些問題的材料。新器件將支撐實現(xiàn)未來通信網(wǎng)絡(luò)和雷達(dá)系統(tǒng)，能力超過現(xiàn)有系統(tǒng)水平。

需解決的問題

在目前正在研究金剛石基GaN器件中，在GaN表面需要一個薄電介質(zhì)層來實現(xiàn)金剛石在GaN表面的引晶和淀積。但因此在GaN-電介質(zhì)層—金剛石交界面上出現(xiàn)熱阻擋層，其導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)低于要求。

研究內(nèi)容

Kuball表示：“為使我們的愿景變?yōu)楝F(xiàn)實，我們將研發(fā)新的金剛石增長方法，能夠使接近有源GaN器件區(qū)域的金剛石的熱傳導(dǎo)能力達(dá)到最大。或通過減少對金剛石生長用電介質(zhì)引晶層的使用，或通過優(yōu)化近引晶層的金剛石晶粒結(jié)構(gòu)，將減少熱阻，并帶來巨大益處。新的金剛石增長將包含使用相變材料的創(chuàng)新性微流體，將比傳統(tǒng)微流體更有力進(jìn)一步輔助散熱。”

圖為預(yù)期器件結(jié)構(gòu)示意

預(yù)期結(jié)果

研究團(tuán)隊希望的結(jié)果是，與現(xiàn)有先進(jìn)SiC基GaN HEMT相比，器件射頻功率將有一個驚人的至少5倍的提升，MMIC和功率放大器尺寸也將有一個顯著的“節(jié)約行”減少。

意義

這將意味著在能力上的一次顛覆性變化，將實現(xiàn)新的系統(tǒng)架構(gòu)，對于射頻和醫(yī)療應(yīng)用支持5G通信。而所需冷卻系統(tǒng)的減少和可靠性的增加將帶來系統(tǒng)級重大的成本節(jié)約。

研究團(tuán)隊

項目由布里斯托爾大學(xué)物理學(xué)院的Martin Kuball領(lǐng)導(dǎo)，研究團(tuán)隊包括卡迪夫大學(xué)、格拉斯哥大學(xué)、劍橋和伯明翰大學(xué)，以及產(chǎn)業(yè)界的合作伙伴。