Ученые разработали транзисторы на нитриде галлия с напряжением до 3,4 кВ

В будущем такие компоненты можно будет применять, к примеру, в электромобилях или в энергетических системах дата-центров.

Специалисты Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) создали новую архитектуру силовых устройств на основе нитрида галлия (GaN), способную выдерживать напряжение свыше 3,4 кВ. Эта технология может значительно расширить область применения GaN — от электромобилей и промышленной электроники до солнечной энергетики и систем питания дата-центров для искусственного интеллекта.

Сегодня нитрид галлия широко применяется в компактных и высокоэффективных преобразователях энергии благодаря их работе на высоких частотах. Тем не менее, при напряжениях в несколько киловольт возникает проблема: электрическое поле распределяется неравномерно, что может привести к пробою транзистора.

В EPFL решили отказаться от классического легирования материала и использовали уникальную поляризацию кристаллической структуры GaN. Внутри устройства ученые сформировали два ультратонких проводящих слоя — двумерный электронный газ (2DEG) и двумерный дырочный газ (2DHG), практически идеально сбалансировав количество положительных и отрицательных зарядов.

Концентрация электронов составила примерно 1,03 × 10¹³ на квадратный сантиметр, а дырок — 1,05 × 10¹³. Разница оказалась менее 2%, что позволило избежать концентрации заряда в одной области, а электрическое поле распределилось значительно более равномерно.

Экспериментальные диоды Шоттки выдержали более 3,9 кВ при удельном сопротивлении всего 4,7 мОм·см². Для сравнения, контрольное устройство с нарушенным балансом зарядов выходило из строя уже при напряжении менее 1 кВ.

Транзисторы на той же архитектуре продемонстрировали напряжение пробоя 3,4-3,5 кВ. По оценкам исследователей, достигнутое напряжение пробоя более чем в пять раз превышает характеристики многих коммерческих силовых GaN-компонентов.

Разработка проявила стабильность и при высоких температурах. Диоды выдерживали свыше 3,3 кВ при температуре 125 °C.

Еще одна значимая особенность заключается в том, что устройства изготавливаются на сравнительно недорогой кремниевой подложке. Ученые полагают, что именно кремний в настоящее время ограничивает максимальное напряжение пробоя, поэтому переход на другой материал потенциально может улучшить этот показатель.

Пока эта технология остается на уровне лабораторных исследований. Следующим шагом станет интеграция новой высоковольтной архитектуры с ранее разработанными многоканальными структурами GaN, чтобы одновременно повысить допустимое напряжение, снизить сопротивление и уменьшить тепловые потери.