Neuer Transistor bringt Hochspannung auf Mikrochip-Grösse
Ingenieure der EPFL haben die besonderen Eigenschaften von Galliumnitrid genutzt, um einen winzigen Transistor zu entwickeln, der sehr hohe Spannungen bei minimalen Energieverlusten bewältigen kann. Das ist eine wichtige Voraussetzung für Anwendungen in KI-Rechenzentren, Elektrofahrzeugen und Solaranlagen.
In jedem elektronischen Gerät wird der Stromfluss durch Transistoren gesteuert. Jahrzehntelang bestanden diese hauptsächlich aus Silizium. In jüngerer Zeit setzen Ingenieure zunehmend auf Galliumnitrid (GaN). Das Material ermöglicht kleine und effiziente Geräte, beispielsweise kompakte Ladegeräte für Smartphones. Bei sehr hohen Spannungen können sich die elektrischen Felder innerhalb solcher Transistoren jedoch an bestimmten Stellen konzentrieren und zu einem vorzeitigen Ausfall führen. Deshalb erreichen heutige GaN-Bauelemente bislang nicht die höchsten Spannungsbereiche, die mit Silizium möglich sind.
Um diese Einschränkung zu überwinden, haben Forschende des Powerlab der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne EPFL einen neuen Typ von GaN-Transistor entwickelt: die sogenannte «Intrinsic Polarization Superjunction» (iPSJ). Das chipgrosse Bauelement besteht aus mehreren Schichten Galliumnitrid auf einem kostengünstigen Siliziumsubstrat und hält fast 4 kV stand, bevor es zum elektrischen Durchbruch kommt – ein Rekord für diese Technologie. Gleichzeitig weist es einen geringen elektrischen Widerstand auf und reduziert damit Energieverluste, die andernfalls als Wärme abgegeben würden.
Die Kombination aus hoher Spannungsfestigkeit und geringem Widerstand ist entscheidend für eine effiziente Leistungsumwandlung, etwa in KI-Rechenzentren und erneuerbaren Energiesystemen. «Wir erreichen dies, indem wir einen natürlichen Polarisationseffekt nutzen, der für GaN charakteristisch ist», erklärt Powerlab-Leiter Elison Matioli. «Unsere Arbeit könnte robuste und effiziente Hochspannungs-Leistungselektronik in wesentlich kompakteren Dimensionen ermöglichen.»
Ein Naturphänomen technisch nutzen
Aufgrund der Kristallstruktur von Galliumnitrid bündeln interne elektrische Kräfte bewegliche Elektronen in dünnen Schichten, über die der Strom fliesst. Bei herkömmlichen GaN-Transistoren sind diese Elektronenschichten jedoch zugleich eine Schwachstelle: Wird das Bauelement ausgeschaltet, werden die negativ geladenen Elektronen aus dem Strompfad verdrängt. Zurück bleibt positive Ladung, ohne dass eine entsprechende negative Ladung für einen Ausgleich sorgt. Durch dieses Ungleichgewicht konzentriert sich die Spannung an einer einzelnen Stelle des Bauelements. Dort entsteht ein starkes elektrisches Feld, das einen Durchbruch auslösen kann.
Die in «Nature Electronics» veröffentlichte Arbeit des Powerlab zeigt, wie sich dieses Ladungsungleichgewicht verhindern lässt. Die Forschenden gestalteten die GaN-Schichten des Transistors so, dass sich neben der Elektronenschicht auf natürliche Weise eine zweite Schicht mit positiver Ladung bildet. Damit stehen sich positive und negative Ladungen gegenüber. Durch eine präzise Abstimmung der Materialdicken sorgt das Team dafür, dass sich die beiden Ladungsschichten im gesamten Bauelement gegenseitig ausgleichen.
Wird der Transistor ausgeschaltet, sammelt sich dadurch keine überschüssige Ladung an. Die Spannung verteilt sich gleichmässig über die Länge des Transistors, statt sich gefährlich an einer Stelle zu konzentrieren. Das Prinzip ähnelt dem Verhalten auf dünnem Eis: Wer sich hinlegt, verteilt sein Gewicht auf eine grössere Fläche.
Auf dem Weg zur nächsten Generation der Leistungselektronik
Dank dieses neuartigen Ladungsausgleichs hält der Transistor des Powerlab mehr als der fünffachen Spannung kommerzieller GaN-Leistungsbauelemente stand, bei denen der Durchbruch typischerweise bei etwa 600 bis 650 Volt erfolgt.
«Unser Bauelement kann über einen grossen Temperaturbereich hinweg hohe Spannungen verkraften. Damit eignet es sich beispielsweise für Elektrofahrzeuge oder industrielle Stromversorgungssysteme, bei denen die Elektronik auch unter hohen Temperaturen und elektrischen Belastungen zuverlässig funktionieren muss», sagt Doktorand Luca Mazzone.
Doktorand un Yuan Zong weist auf einen weiteren wesentlichen Vorteil des Ansatzes hin: Er kommt ohne chemische Dotierung aus, die bei herkömmlichen Bauelementen zur Steuerung der Ladungsverteilung eingesetzt wird. «Ein auf Dotierung basierender Ladungsausgleich in GaN kann sehr temperaturempfindlich sein. Unser dotierungsfreies Design ist entscheidend für die Robustheit des Bauelements.»
In einer ergänzenden Arbeit hat das Powerlab gezeigt, wie sich durch mehrere parallele Leitungskanäle in leistungselektronischen Bauelementen der Strom verteilen lässt. Dadurch sinken der elektrische Widerstand und die Wärmeentwicklung. Das Prinzip lässt sich mit einer Autobahn vergleichen: Zusätzliche Fahrspuren verteilen den Verkehr und verringern die Gefahr von Staus.
«Unser nächstes Ziel ist es, diese beiden Ansätze miteinander zu kombinieren und damit die beiden zentralen Herausforderungen der nächsten Generation der Leistungselektronik anzugehen: sehr hohe Spannungen sicher zu beherrschen und gleichzeitig den elektrischen Widerstand und die daraus resultierenden Energieverluste zu minimieren», fasst Matioli zusammen.
Beitrag von: Celia Luterbacher, EPFL
Bildquelle: A. Herzog/EPFL