Ученые научили транзисторы на основе нитрида галлия выдерживать напряжение свыше 3,4 кВ
В перспективе такие элементы можно будет использовать, например, в электромобилях или в системах питания дата-центров
Исследователи Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) разработали новую архитектуру силовых устройств на основе нитрида галлия (GaN), способную выдерживать напряжение свыше 3,4 кВ. Технология может значительно расширить сферу применения GaN — от электромобилей и промышленной электроники до солнечной энергетики и систем питания ИИ-дата-центров.
Изображение сгенерировано Gemini // Источник изображения: Gemini
Сегодня нитрид галлия широко используется в компактных и высокоэффективных преобразователях энергии благодаря работе на высоких частотах. Однако при напряжениях в несколько киловольт возникает проблема: электрическое поле распределяется неравномерно, что приводит к пробою транзистора.
В EPFL решили отказаться от традиционного легирования материала и использовали собственную поляризацию кристаллической структуры GaN. Внутри устройства ученые сформировали два сверхтонких проводящих слоя — двумерный электронный газ (2DEG) и двумерный дырочный газ (2DHG), практически идеально сбалансировав количество положительных и отрицательных носителей заряда.
Концентрация электронов составила около 1,03 × 10¹³ на квадратный сантиметр, а дырок — 1,05 × 10¹³. Разница оказалась менее 2%, благодаря чему заряд не концентрируется в одной области, а электрическое поле распределяется значительно равномернее.
Экспериментальные диоды Шоттки выдержали более 3,9 кВ при удельном сопротивлении всего 4,7 мОм·см². Для сравнения, контрольное устройство с нарушенным балансом зарядов выходило из строя уже при напряжении менее 1 кВ.
Транзисторы на той же архитектуре показали напряжение пробоя 3,4-3,5 кВ. По оценке исследователей, достигнутое напряжение пробоя более чем в пять раз превышает показатели многих коммерческих силовых GaN-компонентов.
Разработка сохранила стабильность и при высоких температурах. Диоды выдерживали свыше 3,3 кВ при нагреве до 125 °C.
Еще одна важная особенность — устройства изготовлены на сравнительно недорогой кремниевой подложке. Ученые считают, что именно кремний сейчас ограничивает максимальное напряжение пробоя, поэтому переход на другой материал потенциально позволит улучшить этот показатель.
Пока технология остается лабораторной. Следующим этапом станет объединение новой высоковольтной архитектуры с ранее разработанными многоканальными структурами GaN, чтобы одновременно повысить допустимое напряжение, снизить сопротивление и уменьшить тепловые потери.