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

需求背景

研究團隊表示，下一代GaN技術將支撐未來高功率射頻和微波通信、宇航和軍事系統，為5G和6G移動通信網絡和更復雜的雷達系統鋪平道路。在5G時代，每秒傳輸的比特數巨大，未來系統的需求量將更大；現有4G網絡中傳輸這些數據的微波器件沒有所需的能力。

Martin Kuball表示：“全球對能提供超過現有技術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及不斷增長的可再生能源工廠，是一個重要的使能技術。”

研究目標

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

技術手段

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

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層來實現金剛石在GaN表面的引晶和淀積。但因此在GaN-電介質層—金剛石交界面上出現熱阻擋層，其導熱能力遠低于要求。

研究內容

Kuball表示：“為使我們的愿景變為現實，我們將研發新的金剛石增長方法，能夠使接近有源GaN器件區域的金剛石的熱傳導能力達到最大。或通過減少對金剛石生長用電介質引晶層的使用，或通過優化近引晶層的金剛石晶粒結構，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新性微流體，將比傳統微流體更有力進一步輔助散熱。”

圖為預期器件結構示意

預期結果

研究團隊希望的結果是，與現有先進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，將實現新的系統架構，對于射頻和醫療應用支持5G通信。而所需冷卻系統的減少和可靠性的增加將帶來系統級重大的成本節約。

研究團隊

項目由布里斯托爾大學物理學院的Martin Kuball領導，研究團隊包括卡迪夫大學、格拉斯哥大學、劍橋和伯明翰大學，以及產業界的合作伙伴。