Table of Contents

Введение в двухмерные материалы в дизайн усилителя мощности

Усилители мощности являются фундаментальными строительными блоками в современных электронных системах, от инфраструктуры беспроводной связи до радиолокации, вещания и бытовой электроники. За последние несколько десятилетий достижения в области проектирования усилителей мощности в значительной степени последовали за масштабированием кремниевых и III-V составных полупроводников. Однако, по мере приближения к физическим пределам этих обычных материалов, необходимость фундаментального сдвига в материаловедении становится критической. Двумерные (2D) материалы, возглавляемые графеном и распространяющиеся на дихалькогениды переходных металлов, такие как дисульфид молибдена (MoS2), диселенид вольфрама (WSe2) и шестиугольный нитрид бора (hBN), предлагают новый путь вперед.

Эти атомарно тонкие материалы обладают свойствами, которые часто превосходят их объемные аналоги, что позволяет достичь беспрецедентных уровней проводимости, теплового транспорта и механической гибкости. Для усилителей мощности последствия глубоки: более высокая эффективность, более широкая пропускная способность, значительно сниженные форм-факторы и потенциал для интеграции в гибкие и носимые платформы. Научное сообщество и промышленность все еще находятся на ранней стадии пути, но траектория указывает на то, что 2D-материалы изменят оболочку производительности усилителей мощности в ближайшее десятилетие.

Основные свойства 2D-материалов, которые являются ключом к усилению мощности

Исключительная мобильность перевозчика зарядки

Графен обладает самой высокой известной внутренней подвижностью носителей заряда, превышающей 200 000 см2/В·с при комнатной температуре в идеальных условиях. Это свойство напрямую приводит к снижению сопротивления силовых транзисторов усилителя, снижению потерь проводимости и обеспечению более высокой плотности тока. Для силовых устройств это означает меньшую выработку тепла на единицу усиленной мощности и лучшую общую эффективность. В то время как другие 2D-материалы, такие как MoS2 и черный фосфор, предлагают меньшую мобильность, чем графен, они обеспечивают компенсирующие преимущества, такие как конечный разрыв диапазона, который необходим для достижения высоких коэффициентов включения/выключения в полевых транзисторах, используемых в усилителях мощности переключателя.

Высшая теплопроводность

Графен также демонстрирует теплопроводность в диапазоне от 3000 до 5000 Вт/м·К, превосходя алмаз и любой другой известный материал. Эффективное управление тепловой энергией является одной из самых постоянных проблем в конструкции усилителя мощности. Наращивание тепла ухудшает производительность, снижает надежность и заставляет дизайнеров включать громоздкие радиаторы и системы охлаждения. Интеграция графеновых тепловых распредителей непосредственно в структуру усилителя может более эффективно рассеивать тепло, позволяя более высокую мощность работы в меньших упаковках. Помимо графена, MoS2 и WSe2 имеют умеренную теплопроводность, но могут быть слоистыми в гетероструктурах для оптимизации теплового потока через интерфейсы.

Механическая гибкость и масштабирование транзисторов

Поскольку 2D-материалы имеют толщину всего в один атом, они по своей сути гибкие и прозрачные. Это открывает дверь усилителям питания, которые могут быть встроены в гибкие дисплеи, носимые медицинские датчики и конформные антенны. Атомно тонкая природа также позволяет агрессивно масштабировать длину ворот, не страдая от короткоканальных эффектов, которые поражают кремниевые транзисторы ниже 10 нм. В усилителях мощности более короткие длины ворот уменьшают паразитные емкости, улучшая частотную реакцию и позволяя работать на миллиметровой волне и субтерагерце.

Преимущества графена и других 2D материалов для повышения производительности усилителя мощности

Более высокая эффективность и линейность

Эффективность усилителей мощности — это мера того, насколько эффективно мощность постоянного тока преобразуется в выходную мощность RF. Неидеальное поведение транзисторов, резистивные потери и тепловые эффекты — все ухудшают эффективность. Транзисторы на основе графена могут достигать очень низкой устойчивости и высокой насыщенности током, что непосредственно повышает эффективность с добавлением мощности (PAE). Более того, линейность графеновых полевых транзисторов может быть выдающейся из-за линейного дисперсионного отношения электронов Дирака, а это означает, что искажение сигнала минимизируется даже при больших колебаниях сигнала. Эта линейность особенно важна в современных схемах модуляции, таких как 256-QAM и OFDM, которые чувствительны к нелинейности.

Ультраширокая операция по пропускной способности

Высокая мобильность и низкая паразитная емкость графеновых транзисторов позволяют им работать в огромном диапазоне частот, от постоянного тока до более 500 ГГц в прототипных устройствах. Это игровой механизм для широкополосных усилителей, которые должны обрабатывать несколько частотных диапазонов одновременно, таких как используемые в программно-определяемых радиоприемниках, испытательном оборудовании и системах радиоэлектронной борьбы. Более широкая полоса пропускания означает, что требуется меньше цепей усилителей и вспомогательных компонентов, что упрощает архитектуру системы и снижает общие требования к размеру, весу и мощности (SWaP).

Компактный фактор формы и интеграция

Поскольку слои 2D-материала атомарно тонкие, целые схемы усилителя мощности могут быть построены с минимальной вертикальной высотой стека. В сочетании с высокой теплопроводностью, упомянутой ранее, это позволяет дизайнерам упаковывать больше стадий усиления в меньший размер, чем это возможно с обычными технологиями III-V. Монолитная интеграция 2D-материалов с кремниевыми CMOS или GaN-on-SiC также является активной областью исследований, потенциально позволяя использовать настоящие решения системы на чипе, которые включают усиление мощности, обработку сигналов и цифровое управление на одном кристалле.

Проблемы внедрения 2D-материалов в усилители мощности

Синтез и масштабируемое производство

Производство высококачественных графеновых пленок большой площади с однородными свойствами остается значительным препятствием. Химическое осаждение паров (CVD) является наиболее масштабируемым методом, но полученные пленки являются поликристаллическими, с границами зерна, которые рассеивают носители и снижают мобильность. Для MoS2 и WSe2 проблема еще более велика, поскольку синтез больших областей с контролируемым числом слоев и стехиометрией еще не созрел коммерчески. Процессы переноса от подложек роста к подложкам устройств вносят загрязнение и механические повреждения. Без экономически эффективного, бездефектного синтеза вафельного масштаба коммерческое внедрение 2D-материалов в усилители мощности останется ограниченным.

Контактное сопротивление и допинг-контроль

Для реализации преимуществ высокой мобильности необходимо минимизировать контактное сопротивление между 2D-материалом и металлическими электродами. На практике достижение омических контактов со специфическим контактным сопротивлением ниже 10-7 Ω·cm2 оказалось трудным, особенно для широкополосных 2D-полупроводников, таких как MoS2. Аналогичным образом, для разработки пороговых напряжений и оптимизации концентраций носителей требуется точное и стабильное допинг. Изучаются такие методы, как электростатический допинг, химический допинг или заместительный допинг, но ни один из них еще не продемонстрировал надежность, необходимую для приложений усилителя мощности, где долгосрочная стабильность имеет первостепенное значение.

Материальная стабильность и пассивация

Сам графен химически стабилен, но его нулевой разрыв приводит к высокой утечке за пределы состояния, что нежелательно в усилителях коммутационного режима. Дихалкогениды переходных металлов предлагают разрыв в полосе, но часто чувствительны к кислороду и влаге, что приводит к ухудшению производительности с течением времени. Разрабатываются эффективные схемы инкапсуляции с использованием оксидов осаждения hBN или атомного слоя (ALD). Кроме того, надежность устройств 2D-материала при высоких электрических полях и повышенных температурах, условия, типичные для работы усилителя мощности, еще не до конца понятна. Для создания уверенности в оборонных и телекоммуникационных приложениях необходимы ускоренные испытания срока службы и долгосрочные исследования деградации.

Интеграция с существующими полупроводниковыми процессами

Конструкция усилителя мощности не происходит изолированно. Она требует сосуществования с усилителями драйверов, смесителями, аттенюаторами и логикой управления. Для того чтобы 2D-материалы были приняты, они должны продемонстрировать совместимость со стандартными потоками процессов кремния и GaAs/GaN. Это включает в себя толерантность к тепловым бюджетам, шагам химической очистки и литографическим процессам. Промышленность в значительной степени инвестирует в существующую инфраструктуру изготовления; любой разрушительный материал должен предлагать достаточно убедительное преимущество производительности, чтобы оправдать переоборудование части линии изготовления.

Современные направления исследований и перспективные разработки

Гетероструктуры и ван дер Ваальс Инженерия

Одним из наиболее интересных достижений является возможность складывать различные 2D-материалы друг на друга для формирования гетероструктур Ван-дер-Ваальса. Объединив графен с hBN, MoS2 или черным фосфором, исследователи могут адаптировать выравнивания полос, создавать туннельные барьеры и свойства фонона для инженерных интерфейсов. Для усилителей мощности это позволяет создавать транзисторы с высокой электронно-мобильностью (HEMT), которые имитируют систему AlGaN / GaN, но с значительно превосходящими мобильностью и тепловыми свойствами. Прототип 2D-гетероструктуры HEMT уже продемонстрировали плотность тока и напряжения пробоя, приближающиеся к таковым у их аналогов III-V.

Графеновые полевые транзисторы (GFET) для усилителей мощности миллиметрового волнового диапазона

GFET, работающие на миллиметровых частотах (30 ГГц до 300 ГГц), были продемонстрированы с многообещающими показателями производительности, включая плотность выходной мощности 0,5-1 Вт / мм и PAE выше 20%. Исследователи из таких учреждений, как Калифорнийский университет, Лос-Анджелес и Барселонский институт науки и техники, сообщили о GFET с частотами отсечки (fT) выше 300 ГГц и максимальными частотами колебаний (fmax) выше 100 ГГц. Эти результаты показывают, что усилители мощности графена могут стать конкурентоспособными с технологиями GaAs и InP в миллиметровом диапазоне волн, особенно для приложений, где линейность и пропускная способность более важны, чем необработанная выходная мощность.

Для всестороннего обзора последних этапов GFET см. этот обзор в Materials Today .

Гибкие и прозрачные усилители мощности

Гибкость 2D-материалов делает их идеальными для усилителей мощности, предназначенных для носимых и переносных устройств. Исследователи построили полностью прозрачные и механически гибкие усилители с использованием графеновых электродов и активных слоев MoS2 на полимерных подложках. В то время как выходная мощность в настоящее время ниже, чем жесткие реализации, потенциал для интеграции в умную одежду, медицинские пластыри и гибкие дисплеи убедителен. Исследовательская лаборатория армии США и Управление научных исследований ВВС инвестировали в программы, направленные на гибкую радиоэлектронику для солдат и беспилотников.

Приложения для разработки 2D усилителя мощности материала

Телекоммуникации следующего поколения (5G и 6G)

Спрос на более широкие полосы пропускания, более высокие скорости передачи данных и энергоэффективность в сетях 5G и новых сетях 6G предъявляет крайние требования к усилителям мощности базовой станции и мобильных устройств. Современные технологии GaN и Si LDMOS достигают пределов линейности и эффективности на частотах миллиметровых волн. 2D-усилители материалов, с их потенциалом для сверхширокополосной работы и высокой линейности, исследуются в качестве замены для самых требовательных фронтальных этапов. В частности, усилители на основе графена могут упростить мультиполосные усилители мощности, необходимые для схем агрегации несущих.

Оборонные и аэрокосмические радарные системы

Радиолокационные системы радиолокации с активной электронной решеткой (AESA) требуют усилителей мощности, которые могут работать через широкую мгновенную полосу пропускания с высокой линейностью и быстрым переключением. Проблемы управления тепловой энергией в плотных модулях с фазированной решеткой делают теплопроводность графена особенно привлекательной. Кроме того, снижение веса от компактных конструкций усилителей может улучшить выносливость дрона и грузоподъемность спутников. Lockheed Martin и Raytheon спонсировали исследования транзисторов 2D-материала для оборонных радиочастотных приложений. Дальнейшее понимание оборонных исследований можно найти в программе связи следующего поколения DARPA .

Медицинские беспроводные устройства

Имплантируемые и носимые медицинские устройства, такие как беспроводные кардиостимуляторы, нейронные регистраторы и инсулиновые помпы, требуют усилителей малой мощности, которые являются эффективными и биосовместимыми. 2D-материалы предлагают уникальную комбинацию низкого шума, гибкости и нетоксичности (для графена и большинства сульфидов). Исследователи разрабатывают гибкие усилители мощности, которые могут быть интегрированы в биоразлагаемые или биорезорбируемые имплантаты, устраняя необходимость хирургического удаления устройства после использования.

Спутниковая и космическая связь

Вес и надежность имеют первостепенное значение в космических усилителях. Низкая плотность и высокая эффективность 2D-материалов напрямую снижают затраты на запуск. Также интересна радиационная твердость графена и hBN, поскольку эти материалы менее подвержены повреждениям от смещения частиц высокой энергии по сравнению с обычными полупроводниками. Европейское космическое агентство профинансировало несколько проектов, исследующих радиочастотные схемы на основе графена для малых спутников и CubeSats.

Будущий прогноз и сроки коммерциализации

Ближе к среднему сроку (3-7 лет)

В ближайшей перспективе коммерческое внедрение 2D-материалов в усилители мощности, вероятно, будет ограничено нишевыми, высокоценными приложениями, где преимущества производительности оправдывают более высокие затраты. Мы ожидаем увидеть графеновые распредвалы тепла и слои управления теплом, интегрированные в обычные усилители GaN в течение следующих двух-трех лет. В течение пяти-семи лет первые гибридные модули усилителя мощности 2D/III-V могут появиться в высококачественном испытательном оборудовании, военных радарах или полезных нагрузках спутниковой связи. Они, вероятно, будут использовать графен или hBN в качестве пассивного слоя усиления, а не активного транзисторного канала, постепенно снижая риск технологии.

Более длительный срок (7-15 лет)

Если критические проблемы в синтезе, контактной устойчивости и стабильности будут решены, 2D материал активных каналов может начать заменять III-V материалов в некоторых приложениях усилителя мощности. Для гибкой и носимой электроники, временная шкала может быть короче, потому что требования к производительности ниже и спрос на гибкость выше. В конечном счете, широкое внедрение 2D материалов в усилители мощности будет зависеть от развития надежной и стандартизированной промышленностью производственной экосистемы. Создание кремниевых совместимых технологических модулей для 2D осаждения, допинга и рисунка является ключевым фактором. Несколько отраслевых консорциумов, в том числе Графен флагман в Европе и 2D-EPL глобальный альянс, работают над ускорением этого прогресса.

Для отраслевой перспективы дорожной карты коммерциализации 2D-материалов в электронике обратитесь к технологической дорожной карте Graphene Flagship .

Заключение

Будущее конструкции усилителя мощности изменяется благодаря экстраординарным характеристикам графена и других двумерных материалов. Их непревзойденная мобильность носителей заряда, превосходная теплопроводность и присущая механическая гибкость предлагают путь к усилителям мощности, которые более эффективны, компактны, широкополосны и универсальны, чем те, которые построены на традиционных полупроводниковых технологиях. В то время как значительные проблемы в масштабируемом изготовлении, контактной инженерии, стабильности материала и системной интеграции остаются, темпы исследований и инвестиций быстро ускоряются.

Приложения, основанные на протоне, в телекоммуникациях 5G и 6G, защитных радарах, медицинских носимых устройствах и спутниковой связи уже обеспечивают сильное притяжение для этих новых технологий. По мере того, как технологии синтеза созревают и процессы изготовления достигают требуемой однородности и надежности, усилители мощности 2D-материала перейдут от лабораторных любопытств к коммерчески жизнеспособным компонентам. Следующее десятилетие будет иметь решающее значение, поскольку гибридные решения постепенно уступают место новому поколению усилителей, построенных на атомно тонких платформах, фундаментально преобразуя оболочку производительности электронных систем в различных отраслях промышленности.

Для читателей, заинтересованных в более глубоком техническом исследовании, обзорная статья в Nature Reviews Materials предлагает отличный обзор области.Кроме того, более короткий взгляд на промышленный прогноз можно найти в IBM Research's Graphene and Beyond статье.