移动通信的无线数据流量在过去几年里急剧增长，随着5G和物联网设备的普及，预计到2020年，移动通信的年增长率将达到1.5倍。为了建立这种高容量的下一代无线通信网络，人们将注意力集中在使用高频W波段的无线通信技术上。为此，富士通实验室(Fujitsu Laboratories Ltd.)宣布开发一种氮化镓(GaN)高电子移动晶体管(HEMT)功率放大器，可用于W波段(75-110ghz)传输。
图1：新开发的W-band GaN-HEMT功率放大器芯片
要实现远距离、高容量的无线通信，一种很有前景的方法是利用W波段和其他高频波段，其中包含了广泛的可用频率，并通过传输功率放大器增加输出。与此同时，为了降低通信系统的能耗，提高功率放大器的效率。
而新开发的W波段功率放大器能提供高输出功率和运作效率，通过减少电流泄漏和内部的甘-海特电阻，该技术得以提高晶体管的性能。在W波段，每毫米宽为4.5 W的W波段，与传统技术相比，它的能耗降低了26%，富士通取得了创纪录的输出功率密度。
富士通表示，在W波段中可以使用的频率范围非常广泛，因为这一频段的通信速度可以迅速增加，它非常适合这种高带宽的无线通信。传统的无线通信技术已经允许在数公里范围内的几个gbit/s的性能，但是在无线通信距离和使用w波段的能力上实现了更大的增长，这需要进一步增加功率放大器的输出来在传输过程中增加信号。
图2：GaN-HEMT器件结构截面示意图
为了增加距离和容量，有必要扩大可放大的频率带宽，同时支持可以在相同频宽范围内传输更多信息的调制方法，并且硬性要求是在信号被放大时减少失真。另一个目标是，在更大的距离和容量的通信系统中，以及提高功率放大器的能源效率，来控制通信系统的能耗。
同时减少内部阻力和电流泄漏
为了提高无线通信的距离和容量，并减少铟铝氮化镓(InAlGaN)的能耗，富士通开发了可减少内部阻力和控制电流泄漏的两种新技术技术。当电流在源或漏电电极和GaN-HEMT设备之间流动时，减少内部阻力的技术能够可靠地将电阻的电阻降低到以前技术的十分之一。该技术采用了一种制造工艺，将根直接插入到源以下的干接处，并将电极排出，从而产生高密度的电子。
让从源电极到二维电子气体(2DEG)场的电子尽可能的顺利地传输至关重要。然而，前一种技术的结构使电子供应层成为一个障碍，而源电极与二维电子气体之间的内部电阻增加。通过应用这种新技术，富士通可以在晶体管中运行高电流，从而大大减少电阻。
图3：GaN-HEMT功率放大器性能比较
在控制电流泄漏方面，当晶体管处于非状态，且二维电子气体(在通道层顶部的边界处高速移动)时，电流就会发生泄漏。这种泄漏会导致功率放大器的运行性能恶化。通常情况下，通过在通道层下放置一个屏障层来减少电流泄漏是可能的，但在这种情况下，二维电子气体的数量也会减少，从而减少了漏电电流。
新技术通过有效地分配铟氮化镓(InGaN)来在通道层下形成一个屏障层，从而维持高的排水电流。这减少了操作过程中的电子绕道，成功地减少了电流泄漏。
节省26%的能耗
富士通表示，之前的功率放大器输出密度的记录是每一毫米宽(由富士通实验室开发的技术)为每毫米3.6 W。这一技术在新开发的技术上得到了极大的改进，该技术的输出功率为4.5 W/毫米，为一种功率放大器，设计为94GHz。此外，通过减少电流泄漏，新技术与之前的技术相比降低了26%的能源消耗。
该公司预计，这种功率放大器的使用将允许在不同位置的两个连接系统之间的高容量、远距离无线通信，在10公里以上的距离上实现。
未来该技术将应用于功率放大器的开发，为无线通信提供更大的范围和更高的容量，同时提供比光纤更容易的安装技术。富士通希望到2020年时，能将这种新技术商业化，并在解决光缆被自然灾害切断或在举办活动时建立临时通讯基础设施等情况下使用这种技术。