Transphorm Inc 是 HEMT GaN 技术的领先开发商，他们最近获得了一份价值 140 万美元的新 DARPA 研究合同，用于研究基于蓝宝石衬底的氮极性（N 极性）HEMT GaN 器件。
据介绍，新项目建立在 Transphorm 的历史以及与海军研究办公室 (ONR) 的持续合作基础上，为 RF GaN 外延片建立国内资源和供应，重点是 N 极 GaN，该技术已被证明可以带来更大的好处比当今更常用的用于射频和毫米波应用的镓极性（Ga 极性）GaN。与传统的碳化硅 (SiC) 上的 Ga 极性解决方案相比，Transphorm 将探索使用蓝宝石衬底来实现 N 极性 GaN 解决方案的更高成本效率。预计工作输出将产生稳定、高质量的薄外延结构，其能力由高性能晶体管建立。
Transphorm 的团队将满足以下有关 N 极性 GaN-on-Sapphire 的计划目标：建立整体价值主张、定义高性能参数空间和定义构建外延片的可行性。
Transphorm专注于在包括碳化硅 (SiC) 在内的各种衬底上开发氮极性 GaN外延片。然而，该公司现在打算探索一种蓝宝石衬底替代品，将根据性能、成本和可制造性进行分析，以用于射频/毫米波无线电技术。
Transphorm 的首席技术官兼联合创始人 Mishra 博士说：“现在的目标是打下这个基础，让我们的射频外延客户能够以美元实现更高效的射频功率。” “为此目的，蓝宝石是一种有吸引力的材料选择，但由于其导热性低，因此历来被忽视。我们相信，通过创新工程，项目团队可以克服这一限制，并且很高兴有机会为 GaN RF 行业设定该基准。”
N 极 GaN 技术最初是在加州大学圣巴巴拉分校 (UCSB) 的 Umesh Mishra 博士的领导下开发的，作为各种高电子迁移率晶体管 (HEMT)。2007 年，Mishra 博士继续创立 Transphorm 以进一步开发这项技术。他们进一步指出，N 极性 GaN 在高达 94 GHz 的频率下具有非凡的效率，它在射频/毫米波应用以及未来电力电子设备中的潜在价值很有吸引力。它已准备好直接使 DoD 系统以及 5G、6G 及更高版本的应用受益。
GaN 外延片可以在各种衬底上生长，包括蓝宝石、硅、SiC 和纯 GaN。正如预期的那样，每种基材都有优点和缺点。碳化硅衬底成本高，且晶圆尺寸有限。相比之下，据说蓝宝石更具成本效益，并且在制造过程中受温度的影响更小。
蓝宝石最大的问题是它缺乏导热性。
“从历史上看，[蓝宝石] 因其低导热性而被忽视，”Mishra博士说。“我们相信，通过创新工程，项目团队可以克服这一限制，并且很高兴有机会为 GaN RF 行业设定该基准。”
Transphorm 可能需要用蓝宝石克服的另一个问题是与GaN的晶格失配，尤其是与 SiC 相比。这种不匹配会对器件性能产生不利影响。
由 Misra 博士领导的初步研究论文 (2007) 展示了开发 HEMT N 极性 GaN 器件的早期潜力。该团队构建的器件生长在 C 面 SiC 衬底上，由 GaN/AlGaN/GaN 异质结构组成。
在开发该设备时，研究人员必须解决几个缺陷，包括脉冲大信号电流崩溃和栅极泄漏。
2013 年，UCSB 的一个团队发表了第二篇论文，探讨了 N 极性 GaN 在射频/混合信号应用中的应用。N 极器件相对于 Ga 极器件的优势包括强背势垒（这导致更好的夹断特性）、低电阻率、欧姆接触和改进的可扩展性。
根据该论文，从相位辅助分子束外延 (MBE) 到金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 外延的转变导致了更高性能射频器件的发展。
2019 年，Mishra 研究小组 (UCSB) 展示了使用 N 极性 GaN 技术的毫米波功率传输创纪录的性能。
据说该团队对 HEMT 结构取得的进步提供了低栅极泄漏、增强的 2D 电子气 (2DEG) 和电荷限制以及 DC-RF 色散控制。
从根本上说，N 极 HEMT 据说比传统的 Ga 极器件具有明显更好的高频毫米波特性。具体来说，据说它“突破”了 Ga 极性器件的 POUT饱和点。
GaN基半导体已开始在毫米波无线电技术领域发挥越来越重要的作用，包括雷达、电力电子和照明应用。
N 极性 HEMT GaN 器件的性能特征肯定看起来很有希望。Transphorm 的增长表明市场对其技术的接受度。最后，在美国建立半导体制造基地有助于为行业带来稳定性和可靠性。
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