About / Advertise 
Galliumnitrid används framför allt i effektelektronik upp till omkring 650 volt. Forskare vid schweiziska EPFL har nu demonstrerat GaN-transistorer som klarar upp till 3,5 kilovolt. Därmed flyttar GaN in på ett spänningsområde där kiselkarbid hittills haft ett tydligt övertag.
Forskarna vid EPFL:s POWERlab har utvecklat en ny transistorstruktur som kallas intrinsic polarization superjunction, iPSJ. Tekniken utnyttjar den naturliga polarisationen i galliumnitrid för att fördela det elektriska fältet jämnare över komponenten.
Det är just koncentrationen av det elektriska fältet som begränsar konventionella GaN-transistorer vid höga spänningar. När transistorn stängs av kan laddningen bli ojämnt fördelad och fältet koncentreras till en liten del av komponenten. Resultatet kan bli genombrott långt innan själva GaN-materialets teoretiska gräns nås.
I EPFL:s konstruktion skapas ett andra skikt med positiv laddning intill det elektronlager som leder strömmen. Genom att dimensionera GaN-skikten så att de positiva och negativa laddningarna balanserar varandra kan spänningen fördelas jämnare längs transistorn.
En viktig detalj är att detta sker utan kemisk dopning. Enligt forskarna kan laddningsbalansering som bygger på dopning i GaN vara starkt temperaturberoende. Den odopade iPSJ-strukturen behåller däremot sin höga spänningstålighet över ett brett temperaturområde.
Komponenterna tillverkades med GaN på kisel, vilket gör det möjligt att använda ett betydligt billigare substrat än exempelvis kiselkarbid. En normalt ledande D-mode-transistor nådde en genombrottsspänning på 3,5 kV, medan en normalt spärrande E-mode-transistor nådde 3,4 kV.
Med samma iPSJ-princip tillverkade forskarna också en Schottkydiod som klarade över 3,9 kV.
Det kan jämföras med kommersiella GaN-effektkomponenter som typiskt arbetar vid upp till omkring 600–650 volt. Vid flera kilovolt dominerar i stället kiselkarbid, SiC, i dagens kraftelektronik.
Forskarna pekar på AI-datacenter, elfordon, solenergi och industriella kraftsystem som möjliga tillämpningar. Där är kombinationen av hög spänningstålighet och låg resistans viktig för att minska energiförluster och värmeutveckling.
Resultaten har publicerats i Nature Electronics.
