Galliumnitridiä suuremmille jännitteille

Kaupalliset galliumnitridin tehopiirit eivät pysty käsittelemään yli 600 voltin jännitteitä, mikä rajoittaa niiden käytön kulutuselektroniikkaan.

IEEE:n International Electron Devices Meeting kokouksessa MIT:n, IQE:n, Columbia Universityn, IBM:n ja Singapore-MIT Alliance for Research and Technologyn tutkijat esittivät uuden suunnitteluratkaisun, joka testeissä mahdollisti galliumnitridisten tehopiirin kytkevän 1200 voltin jännitteitä.

Sellasella on jo riittävästi kapasiteettia vaikka sähköautoihin, mutta tutkijat korostavat, että heidän laite on vasta laboratorion prototyyppi. He uskovat, että lisätutkimus voi lisätä kapasiteettia 3300 - 5000 voltin alueelle, jolloin galliumnitridin tehokkuus saadaan myös sähköverkon tehoelektroniikkaan.

Nykyisissä kaupallisissa galliumnitridin tehopiireissä virtaa kuljetetaan ja ohjaillaan materiaalin ohuessa pintakerroksessa. Sen paksuus voi olla vain 50 nanometriä ja myös kaikki lämpö syntyy tällä alueella.

Keskisuurille ja suuritehoisille sovelluksille pystysuorat rakenteet ovat paljon parempia. Niissä virta kulkee puolijohteen läpi pystysuoraan rakenteen läpi, joten lämpöhäviökin on paljon yhtenäisempi. Lisäksi myös tulo- ja lähtöliitännöillä on enemmän tilaa.

Vaikka nämä edut ovat tunnettuja, galliumnitridistä on vaikea valmistaa pystysuoria rakenteita. Ongelmana on tehokkaan sähkökentän tuottavan ohjausportin toteutus taloudellisesti mielekkäällä tavalla.

Nyt tutkijaryhmä sai aikaan yksinkertaisen mutta tehokkaan vaihtoehdon. He onnistuivat siinä kaventamalla virtaa kuljettavaa rakennetta niin, että enää ei tarvita sisäisiä eristeitä reitittämään virtaa kapealle alueella.

Heidän galliumnitriditransistoreilla on yläpinnalla evämäiset ulokkeet, jonka reunan molemmilla puolilla on sähköiset kontaktit, jotka yhdessä toimivat porttina. Virta siirtyy transistoriin kontaktin kautta, joka on ulokkeen päällä ja poistuu rakenteen pohjasta. Evien kapeus takaa, että hilaelektrodi pystyy vaihtamaan transistorin päälle ja pois päältä.