Инженеры Федеральной политехнической школы Лозанны нашли способ заставить транзисторы из нитрида галлия работать при напряжениях, которые раньше оставались за пределами возможностей обычных GaN-компонентов. Экспериментальный силовой транзистор выдержал более 3,4 кВ, тогда как массовые коммерческие GaN-устройства обычно рассчитаны примерно на 600–650 В.
Рост напряжения более чем в пять раз исследователи получили не за счёт простого увеличения размеров устройства. Команда EPFL разработала архитектуру intrinsic polarization superjunction, или iPSJ, которая использует естественную электрическую поляризацию слоёв III-нитридных полупроводников.
В обычных силовых транзисторах инженерам приходится тщательно управлять распределением электрического поля. При высоком напряжении поле концентрируется возле отдельных участков структуры, возникает локальный пик, после которого прибор пробивается задолго до достижения теоретического предела материала. Производители GaN-компонентов обычно борются с проблемой с помощью специальных полевых электродов и сложной структуры слоёв.
EPFL пошла другим путём. В структуре GaN/AlGaN/GaN поляризация материала формирует два чрезвычайно тонких проводящих слоя. В одном движутся электроны, в другом дырки. Исследователи подобрали структуру так, чтобы концентрации положительных и отрицательных носителей практически совпадали. При выключении транзистора оба слоя опустошаются одновременно, заряд в рабочей области остаётся сбалансированным, а электрическое поле распределяется значительно равномернее.
Такой подход позволяет отказаться от намеренного химического легирования рабочей области сверхперехода. Для GaN подобная особенность особенно интересна, поскольку создание хорошо контролируемых областей p-типа остаётся технологически сложной задачей.
Исследователи изготовили устройства прямо на кремниевых подложках. Транзисторы двух типов выдержали напряжение пробоя около 3,4 и 3,5 кВ без традиционных полевых электродов. Экспериментальные диоды на той же архитектуре показали ещё более высокий результат. Образец с длиной сверхперехода 25 мкм выдержал 3,9 кВ и достиг предела измерительной установки без пробоя. Для сравнения, аналогичная структура с нарушенным балансом зарядов пробилась при 764 В. (Nature)
Высокое напряжение оказалось не единственным преимуществом. При переключении до 3 кВ сопротивление открытого канала менялось менее чем на 15%. Для силовой электроники подобное поведение критично, поскольку рост сопротивления во время реальной работы увеличивает потери энергии и нагрев. Тесты также показали стабильную работу при повышенной температуре и повторных циклах высокого напряжения.
Новая архитектура расширяет диапазон, в котором GaN способен конкурировать с кремнием и другими широкозонными полупроводниками. Нитрид галлия уже используется в компактных зарядных устройствах и всё активнее проникает в мощные преобразователи. Переход от сотен вольт к нескольким киловольтам открывает дорогу к гораздо более серьёзным системам электропитания, включая промышленную энергетику, электромобили и инфраструктуру дата-центров.
Последнее направление становится особенно интересным на фоне бума ИИ. Современные вычислительные центры требуют всё большей электрической мощности, поэтому эффективность преобразования энергии начинает играть почти такую же роль, как производительность самих ускорителей. Каждый потерянный процент превращается в дополнительное тепло, которое затем приходится отводить системой охлаждения.
До коммерческого производства новым транзисторам ещё далеко. Работа EPFL демонстрирует прежде всего новую физическую архитектуру, а не готовую замену серийным 650-вольтовым компонентам. Однако эксперимент показывает, что привычный для компактных зарядников GaN способен перейти в совсем другой класс напряжений без одного из главных технологических ограничений традиционных сверхпереходов.