Intialaiset määrittelevät GaN-tehomoduuleja uusiksi

Intian tiedeinstituutin (IISc) tutkijat ovat paljastaneet perustavanlaatuisia tietoja galliumnitridi (GaN) -tehotransistoreiden suunnittelusta, mikä tekee niistä turvallisempia ja helpompia käyttää tehoelektroniikassa, kuten sähköajoneuvoissa ja datakeskuksissa.

GaN voi vähentää energiahäviöitä merkittävästi ja pienentää tehomuuntimien ja muiden tehoelektroniikkamoduulien kokoa jopa kolminkertaiseksi, mutta käyttöönotto on ollut hidasta sen virran kulkua ohjaavan portin rajallisen suorituskyvyn vuoksi.

Nykyisin käytössä olevissa kaupallisissa p-GaN-porttia käyttävissä transistoreissa rakenne alkaa johtaa matalalla kynnysjännitteellä (päälle kytkemiseen tarvittava porttijännite), joka on tyypillisesti noin 1,5–2 V. Tällaiset transistorit alkavat myös vuotaa virtaa yli 5–6 V:n jännitteellä.

Tähän mennessä on puuttunut perustavanlaatuinen ymmärrys siitä, miten näitä transistoreita niiden portti ohjaa ja mitkä tekijät määräävät kynnysjännitteen.

IISc:n elektronisten järjestelmätekniikan laitoksen (ESE) tutkijat suorittivat kaksiosaisen tutkimuksen näiden ilmiöiden selvittämiseksi.

”Ainutlaatuista tässä on kaksivaiheinen lähestymistapa: ensin selvitimme puuttuvan fysikaalisen yhteyden p-GaN-tyhjennystilan, vuotoreittien ja päällekytkemisen välillä ja käytimme sitten tätä ymmärrystä suunnitellaksemme uuden porttipinon, joka tuottaa enemmän MOSFET-tyyppisen porttikäyttäytymisen”, sanoo tutkimusten vastaava kirjoittaja Mayank Shrivastava.

Havaintojensa pohjalta tiimi suunnitteli ja esitteli uusia metallipohjaisia porttipinoja, jotka voivat vähentää porttivuotoa jopa 10 000-kertaisesti samalla parantaen kynnysvakautta ja saavuttaen portille jopa noin 15,5 V:n läpilyöntijännitteet.

Lisäksi he sovelsivat perustavanlaatuisia havaintojaan integroituun AlTiO3 (alumiini-titaanioksidi) -pohjaiseen p-GaN-porttipinoon, joka on täysin uusi ja patentoitu ehdotus.

Tuloksena olevat laitteet saavuttavat erittäin korkean > 4 V:n kynnysjännitteen – lähellä piipohjaisten MOSFET-tasojen tasoa – säilyttäen samalla vahvan porttiohjauksen, parantaen kynnysvakautta ja osoittaen erittäin korkean porttiläpilyöntijännitteen. "Tämä voi nopeuttaa GaN:n käyttöönottoa sähköautojen tehomuuntimissa, palvelimien tai datakeskusten virtalähteissä, uusiutuvan energian inverttereissä ja muissa erittäin luotettavissa, suuritehoisissa kytkentäsovelluksissa", sanoo tohtoriopiskelija Rasik Rashid.

”Korkeamman kynnysjännitteen saavuttaminen yhdessä pienen vuodon ja vankan portin yliohjausmarginaalin kanssa on yksi GaN:n seuraavan käyttöönottovaiheen keskeisistä mahdollistajista”, Shrivastava sanoo. ”Juuri tätä me pyrimme ratkaisemaan.”

Tällaiset edistysaskeleet voivat vauhdittaa GaN-teknologian käyttöönottoa sovelluksissa, joissa luotettavuus, kestävyys ja suorituskykymarginaalit ovat ensiarvoisen tärkeitä, mikä avaa myös intialaisten mahdollisuuksia hypätä harppauksin edistyneiden elektronisten ratkaisujen tarjoamisessa, toteavat tutkijat tiedotteessaan.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttitoimintoja puolijohdetekniikkaan

Komplementaarista galliumnitridielektroniikkaa

Uusi menetelmä kestäville GaN-transistoreille