Uusi transistori tuo korkean jännitteen mikrosirujen mittakaavaan

Erityisesti pienemmässä tehoelektroniikassa on hyödynnetty galliumnitridiä (GaN), joka mahdollistaa pienten ja tehokkaiden laitteiden, kuten älypuhelinten laturien, valmistuksen.

Hyvin suurilla jännitteillä näiden transistoreiden sisällä olevat sähkökentät voivat kuitenkin keskittyä tiettyihin pisteisiin, mikä aiheuttaa niiden ennenaikaisen vikaantumisen. Tämän seurauksena nykyiset GaN-laitteet kamppailevat edelleen piin saavuttamien korkeimpien jännitetasojen kanssa.

Tämän rajoituksen voittamiseksi EPFL:n POWERlabin tutkijat ovat esitelleet uudenlaisen GaN-transistoriluokan: intrinsic polarization superjunctionin eli iPSJ:n.

Sirun kokoinen piiri, joka on valmistettu galliumnitridikerroksista edullisella piialustalla, kestää lähes 4 kilovolttia ennen läpilyöntiä, mikä on ennätys tämän tyyppiselle tekniikalle. Samaan aikaan sen resistanssi on alhainen, mikä auttaa vähentämään energiahäviöitä.

Korkean jännitekeston ja pienen resistanssin yhdistelmä on olennainen osa tehokasta tehonmuuntoa tekoälykeskuksissa ja uusiutuvan energian järjestelmissä. ”Saavutamme tämän hyödyntämällä GaN:lle ainutlaatuista luonnollista polarisaatiovaikutusta”, selittää POWERlabin johtaja Elison Matioli. ”Työmme voisi mahdollistaa vankan, tehokkaan ja korkeajännitteisen tehoelektroniikan paljon pienemmässä mittakaavassa.”

Galliumnitridin kiderakenteen ansiosta sisäiset sähköiset voimat keräävät liikkuvia elektroneja ohuiksi virrankuljetuksen kerroksiksi. Perinteisissä GaN-transistoreissa nämä kerrokset ovat kuitenkin myös akilleenkantapää: kun piiri sammutetaan, negatiivisesti varautuneet elektronit työntyvät pois virtatieltä, jolloin jäljelle jää positiivinen varaus, jolla ei ole vastaavaa negatiivista varausta. Tämä epätasapaino keskittää jännitteen yhteen kohtaan piirirakenteessa, mikä tuottaa voimakkaan sähkökentän, joka voi laukaista piirin läpilyönnin.

POWERlabin uusi työ osoittaa, kuinka tämä varausepätasapaino voidaan estää. He suunnittelivat transistorin GaN-kerrokset siten, että toinen positiivisen varauksen kerros muodostuu luonnollisesti elektronikerroksen viereen, luoden vastaavat positiiviset ja negatiiviset varaukset. Materiaalin paksuutta huolellisesti säätämällä tiimi varmistaa, että kaksi varauskerrosta tasapainottavat toisiaan koko rakenteessa. Näin piirin poiskytkennässä ei kerry ylimääräistä varausta vaan jännite jakautuu tasaisesti transistorin pituudelle sen sijaan, että se kasaantuisi vaarallisesti.

Tasapainotetun rakenteensa ansiosta POWERlabin transistori kestää yli viisinkertaisen jännitteen kaupallisiin GaN-tehopiireihin verrattuna, joiden läpilyöntijännite on noin 600–650 V. ”Piirirakenteemme pystyy pitämään korkean jännitteen laajalla lämpötila-alueella, joten se sopii sähköajoneuvoihin tai teollisuuden tehojärjestelmiin, joissa elektroniikan on toimittava luotettavasti korkeissa lämpötiloissa ja sähköisen rasituksen alaisena”, sanoo tohtoriopiskelija ja tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Luca Mazzone.

Tohtoriopiskelija ja tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Yuan Zong lisää, että lähestymistavan toinen merkittävä etu on se, että se poistaa kemiallisen seostuksen tarpeen. ”Seostukseen perustuva varauksen tasapainotus GaN:ssä voi olla erittäin lämpötilaherkkää. Seostukseton suunnittelumme on avainasemassa piirirakenteemme kestävyyden kannalta.”

Aiheesta aiemmin:

Galliumnitridin kontaktit monen mutkan takana

Timanttia GaN-transistoreiden alustaan

Intialaiset määrittelevät GaN-tehomoduuleja uusiksi

Nanotekniikkaa tehotransistoriin