Neuer Transistor bringt Hochspannung auf Mikrochip-Niveau

Das Powerlab-Team hinter den neuen Transistoren. (Source: EPFL)

Das Powerlab-Team hinter den neuen Transistoren. (Source: EPFL)

In jedem elektronischen Gerät wird der Stromfluss durch einen Schalter gesteuert, den sogenannten Transistor. Jahrzehntelang wurden solche Schalter aus Silizium hergestellt. In jüngerer Zeit setzen Ingenieure zunehmend auf Galliumnitrid (GaN). Das Material ermöglicht kleine und effiziente Geräte wie etwa Smartphone-Ladegeräte.

Bei sehr hohen Spannungen können sich die elektrischen Felder innerhalb dieser Transistoren jedoch an bestimmten Stellen konzentrieren und dadurch einen vorzeitigen Ausfall verursachen. Deshalb haben heutige GaN-Bauteile weiterhin Schwierigkeiten, die höchsten Spannungsniveaus zu erreichen, die mit Silizium möglich sind.

Um diese Einschränkung zu überwinden, haben Forschende des Power and Wide-band-gap Electronics Research Lab (Powerlab) der EPFL School of Engineering eine neue Klasse von GaN-Transistoren entwickelt: die sogenannte "Intrinsic Polarization Superjunction" (iPSJ). Das chipgrosse Bauteil besteht aus Galliumnitrid-Schichten auf einer kostengünstigen Siliziumbasis und hält vor einem Durchbruch Spannungen von fast 4 Kilovolt stand - laut EPFL ein Rekord für diese Art von Technologie. Gleichzeitig weist der Transistor einen geringen Widerstand auf und reduziert damit Energieverluste, die andernfalls als Wärme freigesetzt würden.

Die Kombination aus hoher Spannungsfestigkeit und geringem Widerstand ist entscheidend für eine effiziente Leistungsumwandlung in KI-Rechenzentren und erneuerbaren Energiesystemen. "Wir erreichen dies, indem wir einen natürlichen Polarisationseffekt nutzen, der einzigartig für GaN ist", erklärt Powerlab-Leiter Elison Matioli. "Unsere Arbeit könnte robuste, effiziente Hochspannungs-Leistungselektronik in deutlich kompakteren Dimensionen ermöglichen."

Ein natürliches Phänomen technisch nutzen

Aufgrund der Kristallstruktur von Galliumnitrid sammeln interne elektrische Kräfte bewegliche Elektronen in dünnen Schichten, die den Strom transportieren. Bei herkömmlichen GaN-Transistoren sind diese Elektronenschichten jedoch gleichzeitig eine Schwachstelle: Wird das Bauteil ausgeschaltet, werden negativ geladene Elektronen aus dem Strompfad verdrängt. Zurück bleibt eine positive Ladung ohne entsprechende negative Gegenladung. Durch dieses Ungleichgewicht konzentriert sich die Spannung an einer einzigen Stelle des Bauteils. Dadurch entsteht ein starkes elektrisches Feld, das einen Durchbruch auslösen kann.

Die "Intrinsic Polarization Superjunction" des Powerlabs. (Source: Alain Herzog/EPFL CC BY SA 4.0)

Die im Fachjournal "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. Dadurch entstehen aufeinander abgestimmte positive und negative Ladungen.

Durch eine präzise Abstimmung der Materialdicke sorgt das Team dafür, dass sich die beiden Ladungsschichten im gesamten Bauteil gegenseitig ausgleichen. Wird das Bauteil ausgeschaltet, sammelt sich dadurch keine überschüssige Ladung an. Die Spannung kann sich stattdessen gleichmässig über die Länge des Transistors verteilen - ähnlich wie sich beim Hinlegen auf dünnem Eis das Körpergewicht über eine grössere Fläche verteilt -, anstatt sich gefährlich an einer Stelle zu konzentrieren.

Auf dem Weg zur nächsten Generation der Leistungselektronik

Durch dieses neuartige, ausbalancierte Design hält der Transistor des Powerlab einer mehr als fünfmal höheren Spannung stand als kommerzielle GaN-Leistungsbauteile, die laut EPFL bei etwa 600 bis 650 Volt durchbrechen.

"Unser Bauteil kann über einen grossen Temperaturbereich hinweg hohe Spannungen halten. Dadurch eignet es sich für Elektrofahrzeuge oder industrielle Stromversorgungssysteme, in denen die Elektronik auch bei hohen Temperaturen und elektrischer Belastung zuverlässig funktionieren muss", sagt Doktorand und Co-Erstautor Luca Mazzone.

Doktorand und Co-Erstautor Yuan Zong nennt einen weiteren Vorteil des Ansatzes: Er kommt ohne chemische Dotierung aus, die bei herkömmlichen Bauteilen zur Steuerung der Ladung eingesetzt wird. "Ein auf Dotierung basierender Ladungsausgleich in GaN kann sehr temperaturempfindlich sein. Unser dotierungsfreies Design ist entscheidend für die Robustheit unseres Bauteils."

In einer ergänzenden Arbeit hat das Powerlab gezeigt, wie sich durch mehrere Leitungskanäle in Komponenten der Leistungselektronik der Strom verteilen lässt. Dadurch sollen Widerstand und Überhitzung reduziert werden - ähnlich wie zusätzliche Fahrspuren auf einer Autobahn den Verkehr besser verteilen und Staus verhindern.

"Unser nächstes Ziel ist es, diese beiden Ansätze zu kombinieren, um die beiden zentralen Herausforderungen der nächsten Generation von Leistungselektronik anzugehen: sehr hohe Spannungen sicher zu bewältigen und gleichzeitig den elektrischen Widerstand und die daraus resultierenden Energieverluste zu minimieren", fasst Matioli zusammen.

Diese News ist zuerst auf der Website der "EPFL" erschienen.