Drei aktuelle Forschungsarbeiten präsentieren unterschiedliche Lösungen für zentrale Probleme, die den Einsatz von Galliumnitrid (GaN) in der Leistungselektronik und Kommunikation begrenzen: Spannungsfestigkeit, Senkung des Kontaktwiderstands und Wärmemanagement. Die Ergebnisse stammen von Forschungsteams unter der Leitung von Institutionen wie der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) und den Universitäten Nagoya, Cornell und Georgia Tech sowie der Penn State University und chinesischen Forschungseinrichtungen.
Ein Transistor, der nahezu 4 Kilovolt aushält
Forschende der EPFL entwickelten eine neue Klasse von GaN-Transistoren, die sie intrinsic polarization superjunction (iPSJ) nannten. Das aus GaN-Schichten auf einem kostengünstigen Siliziumsubstrat gefertigte Bauelement hielt nach Angaben des Teams vor dem Durchbruch einer Spannung von nahezu 4 Kilovolt stand und bewahrte dabei einen niedrigen Widerstand.
Das Design nutzt den natürlichen Polarisationseffekt in GaN, um zwei parallele Anordnungen positiver Ladungen und Elektronen zu erzeugen. Durch die Anpassung der Schichtdicke werden die beiden Ladungen ausgeglichen. Dadurch wird verhindert, dass sich beim Abschalten des Transistors überschüssige Ladung ansammelt, und die Spannung wird gleichmäßig über das Bauelement verteilt. Außerdem entfällt bei diesem Ansatz die Notwendigkeit einer chemischen Dotierung. Die Forschenden vergleichen dies mit herkömmlichen GaN-Transistoren, die gewöhnlich bereits bei etwa 600 bis 650 Volt ausfallen.
Das Team ist der Ansicht, dass die Spannungsfestigkeit über einen breiten Temperaturbereich die Technik für Systeme in Elektrofahrzeugen und industrielle Leistungssysteme geeignet machen könnte. Das vorgestellte Material belegt jedoch noch nicht, dass diese Bauelemente für die kommerzielle Produktion bereit sind.
Senkung des Widerstands von p-GaN-Kontakten
Auf einem anderen Weg senkten Forschende der Nagoya University, des MIT, der Cornell University, der City University of Hong Kong und der Chinese Academy of Sciences den Kontaktwiderstand von p-Typ-GaN-Kontakten, indem sie eine ultradünne Magnesiumschicht auf der Oberfläche von p-GaN abscheideten und diese anschließend fünf Minuten lang auf 600 Grad Celsius erhitzten.
Mit dem Verfahren wurde ein spezifischer Kontaktwiderstand zwischen (1–3) × 10⁻⁴ Ω cm² erreicht. Nach Angaben des Teams gehört dieser zu den niedrigsten in der Forschung für dünne p-GaN-Kontakte gemeldeten Werten. Die Verwendung einer dicken Magnesiumschicht vermied eine Aufrauung der Oberfläche, während dünne Proben zeigten, dass die Oxidation selbst bei einer Dicke von 10 Nanometern auf die oberste Oberflächenschicht beschränkt blieb.
Während der kurzen Wärmebehandlung diffundiert das Magnesium in den oberflächennahen Bereich und verengt die Verarmungszone. Dadurch wird der Tunneltransport von Löchern verbessert und der Widerstand gesenkt. Die Forschenden erklären, dass das Verfahren einfacher, schneller und kostengünstiger sei als das Kristallwachstum von unten nach oben. Sie arbeiten daran, es in Leuchtdioden und Leistungstransistoren für Elektrofahrzeuge einzusetzen.
Diamant als Schicht zur Wärmeverteilung
Die dritte Forschungsarbeit von MIT, Georgia Tech und Penn State integrierte GaN-Transistoren in eine ultradünne Schicht aus einkristallinem Diamant. Die Schicht wirkt als Wärmeverteiler, der die Temperaturen zwischen GaN und Silizium ausgleicht und es dem Bauelement ermöglicht, sich der Spitzenleistung zu nähern, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.
Der Prozess beginnt damit, kleine GaN-Stücke aus einem Wafer herauszuschneiden und anschließend mit einem Femtosekundenlaser Vertiefungen in den Diamanten zu ätzen. Nach dem Einsetzen einer Haftschicht in die Vertiefungen und dem Einführen der Stücke werden Wärme und Druck eingesetzt. Anschließend werden isolierende und metallische Schichten auf die Struktur aufgebracht. Das Team nutzte die Technik zur Herstellung eines drahtlosen Leistungsverstärkers mit einer Leistung von 4 Watt für 6G-Anwendungen im FR3-Band.
Zu den möglichen Anwendungen könnten Hochleistungsradare, die Weltraumkommunikation, industrielle Drohnen und die Leistungsumwandlung in Rechenzentren gehören. In der Praxis zeigen die Ergebnisse, dass die Verbesserung von GaN nicht allein vom Kanalmaterial abhängt; auch Verbindungen, Wärme und Gehäuse können darüber entscheiden, ob die theoretische Leistung in einem realen System nutzbar ist.