EPSRC授予布里斯托尔大学430万英镑，研发带有新型微流体的金刚石基氮化镓器件

日前，英国工程和物理科学研究委员会（EPSRC）授予英国布里斯托尔大学430万英镑，启动了一个为期5年研发金刚石基氮化镓（GaN）微波技术的重要项目，目标是研发能满足未来高功率射频和微波通信的下一代GaN技术。

需求背景

研究团队表示，下一代GaN技术将支撑未来高功率射频和微波通信、宇航和军事系统，为5G和6G移动通信网络和更复杂的雷达系统铺平道路。在5G时代，每秒传输的比特数巨大，未来系统的需求量将更大；现有4G网络中传输这些数据的微波器件没有所需的能力。

Martin Kuball表示：“全球对能提供超过现有技术功率密度的高功率微波电子器件的需求正在增长。特别是GaN高电子迁移率晶体管（HEMT），对高效率军事和民用微波系统及不断增长的可再生能源工厂，是一个重要的使能技术。”

研究目标

该新项目的愿景是研发具有颠覆意义、能够超越现有微波器件技术的金刚石基GaN HEMT和单片微波集成电路（MMIC）。

技术手段

这些微波器件中的能量流能达到与太阳表面的热流一样的水平，带有超高热传导能力的金刚石是唯一能够处理这些问题的材料。新器件将支撑实现未来通信网络和雷达系统，能力超过现有系统水平。

需解决的问题

在目前正在研究金刚石基GaN器件中，在GaN表面需要一个薄电介质层来实现金刚石在GaN表面的引晶和淀积。但因此在GaN-电介质层—金刚石交界面上出现热阻挡层，其导热能力远低于要求。

研究内容

Kuball表示：“为使我们的愿景变为现实，我们将研发新的金刚石增长方法，能够使接近有源GaN器件区域的金刚石的热传导能力达到最大。或通过减少对金刚石生长用电介质引晶层的使用，或通过优化近引晶层的金刚石晶粒结构，将减少热阻，并带来巨大益处。新的金刚石增长将包含使用相变材料的创新性微流体，将比传统微流体更有力进一步辅助散热。”

图为预期器件结构示意

预期结果

研究团队希望的结果是，与现有先进SiC基GaN HEMT相比，器件射频功率将有一个惊人的至少5倍的提升，MMIC和功率放大器尺寸也将有一个显著的“节约行”减少。

意义

这将意味着在能力上的一次颠覆性变化，将实现新的系统架构，对于射频和医疗应用支持5G通信。而所需冷却系统的减少和可靠性的增加将带来系统级重大的成本节约。

研究团队

项目由布里斯托尔大学物理学院的Martin Kuball领导，研究团队包括卡迪夫大学、格拉斯哥大学、剑桥和伯明翰大学，以及产业界的合作伙伴。