Швейцарские учёные усилили транзисторы из нитрида галлия для высоковольтных систем

Учёные Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) разработали принципиально новую архитектуру транзисторов на основе нитрида галлия (GaN), способную работать при напряжении свыше 3,4 киловольт. Ранее такие материалы использовались в основном в маломощных устройствах, где важна высокая частота переключения, но не могли справляться с высокими напряжениями из-за неравномерного распределения электрического поля. Новая технология решает эту проблему за счёт уникального подхода к формированию внутренней структуры кристалла, что позволяет равномерно распределять заряд и предотвращать пробой даже при экстремальных нагрузках.

Ключевое новшество заключается в отказе от традиционного легирования и применении собственной поляризации кристаллической решётки GaN. Внутри устройства исследователи сформировали два сверхтонких слоя — двумерный электронный газ (2DEG) и двумерный дырочный газ (2DHG), соотношение зарядов в которых поддерживается практически идеально. Концентрация электронов составила около 1,03×10¹³ на квадратный сантиметр, а дырок — 1,05×10¹³, разница не превышает 2%. Это обеспечило равномерное распределение электрического поля, что критически важно для работы при высоких напряжениях. В экспериментах новые диоды Шоттки выдержали более 3,9 кВ при удельном сопротивлении всего 4,7 мОм·см², в то время как аналогичные устройства с нарушенным балансом зарядов выходили из строя уже при напряжении менее 1 кВ.

Разработанные транзисторы показали напряжение пробоя от 3,4 до 3,5 кВ, что более чем в пять раз превышает показатели большинства коммерческих GaN-компонентов. Важно, что новые приборы сохраняют стабильность даже при повышенных температурах: испытания при 125 °C показали, что диоды выдерживают напряжение свыше 3,3 кВ. Это делает технологию перспективной для применения в системах, работающих в жёстких условиях, включая электромобили, солнечные батареи и инфраструктуру питания дата-центров, где требуется высокая энергоэффективность.

Особый интерес вызывает тот факт, что устройства изготовлены на базе относительно недорогой кремниевой подложки, что снижает стоимость производства по сравнению с традиционными GaN-платформами. Учёные отмечают, что именно кремниевая подложка сейчас является узким местом, ограничивающим максимальное напряжение пробоя, поэтому переход на другие материалы потенциально позволит ещё больше улучшить этот показатель. Пока разработка остаётся на стадии лабораторных прототипов, но следующий этап исследований подразумевает объединение новой архитектуры с многоканальными структурами GaN. Это должно одновременно повысить допустимое напряжение, снизить сопротивление и уменьшить тепловые потери, что откроет новые возможности для применения в энергоёмких системах.

Эксперты отмечают, что появление таких высоковольтных GaN-транзисторов может стать важным шагом в развитии силовой электроники. Текущие решения на основе кремния или карбида кремния (SiC) либо не обеспечивают нужной эффективности, либо слишком дороги для массового применения. Новая разработка EPFL обещает стать более доступной альтернативой, способной вытеснить существующие технологии в ключевых сегментах, включая зарядные станции для электромобилей, системы бесперебойного питания и преобразователи для возобновляемой энергетики.