EPFL создала GaN-транзистор на 4 кВ с рекордным для микрочипа напряжением пробоя

Нитрид галлия уже используется в компактных силовых устройствах, включая зарядные устройства, благодаря высокой эффективности и возможности создавать компоненты меньшего размера по сравнению с кремниевыми аналогами. Однако при повышении напряжения в GaN-транзисторах возникает проблема концентрации электрического поля, которая может привести к преждевременному пробою.

Команда Лаборатории силовой электроники и широкозонной электроники EPFL (POWERlab) предложила решить её с помощью новой архитектуры — внутреннего поляризационного суперперехода (iPSJ). Транзистор сформирован из слоёв GaN на кремниевой подложке и, по данным исследователей, выдерживает почти 4 кВ, сохраняя при этом низкое сопротивление.

Балансировка зарядов

Внутри GaN благодаря его кристаллической структуре формируются тонкие проводящие слои с высокой концентрацией подвижных электронов. В обычном транзисторе при его выключении возникает дисбаланс зарядов: электроны покидают проводящий канал, тогда как положительный заряд остаётся. Это приводит к локальному усилению электрического поля и повышает вероятность пробоя.

В архитектуре iPSJ исследователи сформировали рядом с электронным слоем дополнительный слой положительного заряда. Подбор толщины слоёв позволяет компенсировать положительные и отрицательные заряды по всей структуре. В результате электрическое поле распределяется более равномерно, а не концентрируется в одной области.

Подход позволил получить напряжение пробоя почти 4 кВ — более чем в пять раз выше, чем у коммерческих GaN-устройств, рассчитанных примерно на 600–650 В. При этом конструкция сохраняет низкое сопротивление, что уменьшает потери энергии и нагрев.

Без химического легирования

Ещё одной особенностью разработки стало отсутствие необходимости в традиционном химическом легировании для управления распределением зарядов. По словам исследователей, легирование может приводить к температурной чувствительности характеристик, тогда как балансировка зарядов за счёт поляризационных свойств GaN потенциально повышает стабильность устройства.

Высоковольтные GaN-транзисторы могут быть востребованы в системах, где требуется одновременно высокая эффективность, компактность и способность работать при значительных электрических и тепловых нагрузках. Среди потенциальных применений исследователи называют электромобили и промышленную силовую электронику.

Работа опубликована в Nature Electronics. Следующим этапом команда планирует объединить iPSJ-архитектуру с многоканальной конструкцией, в которой ток распределяется между несколькими проводящими каналами. Это должно одновременно снизить сопротивление и нагрев, сохранив способность транзистора работать при высоком напряжении.