3つの最新研究は、パワーエレクトロニクスと通信における窒化ガリウム（GaN）の利用を制限する主要な問題、すなわち高電圧への耐性、接触抵抗の低減、熱管理に対する異なる解決策を提示している。成果は、ローザンヌ連邦工科大学（EPFL）やマサチューセッツ工科大学（MIT）をはじめ、名古屋大学、Cornell University、Georgia Tech、Penn Stateなどの機関、および中国の研究機関が率いる研究チームによるものである。
約4キロボルトに耐えるトランジスター
EPFLの研究者らは、intrinsic polarization superjunction（iPSJ）と名付けた新しい種類のGaNトランジスターを開発した。チームによると、低コストのシリコン基板上にGaN層を形成したこのデバイスは、低い抵抗を維持しながら、破壊する前に約4キロボルトの電圧に耐えた。
この設計は、GaNにおける自然な分極効果を利用して、正電荷と電子からなる2つの平行な配列を形成する。層の厚さを調整することで2種類の電荷のバランスを取り、トランジスターをオフにした際の過剰な電荷の蓄積を防ぎ、デバイス全体に電圧を均等に分布させる。また、この手法では化学的ドーピングが不要になる。研究者らはこれを、通常は約600～650ボルトで破壊する従来のGaNトランジスターと比較している。
チームは、広い温度範囲にわたる耐電圧性能により、この技術が電気自動車システムや産業用電力システムに適する可能性があると考えている。ただし、提示された内容は、これらのデバイスが商業生産に対応できる状態にあることをまだ証明していない。
p-GaN接触抵抗の低減
別の研究では、Nagoya University、MIT、Cornell University、City University of Hong Kong、Chinese Academy of Sciencesの研究者らが、p-GaN表面に極薄のマグネシウム層を堆積し、その後600℃で5分間加熱することで、p型GaN接触の抵抗を低減した。
チームによると、この手法は（1～3）× 10⁻⁴ Ω cm²の比接触抵抗を達成した。これは、薄いp-GaN接触について研究で報告された値の中でも最も低い部類に入る。厚いマグネシウム層を使用することによる表面粗化を回避し、薄い試料では、厚さ10ナノメートルの場合でも酸化が最上部の表面層に限られることが示された。
短時間の熱処理中、マグネシウムは表面領域に拡散して空乏領域を狭め、正孔のトンネル通過を促進して抵抗を低減する。研究者らは、この工程がボトムアップの結晶成長よりも簡単で速く、低コストであると述べており、LEDや電気自動車用パワートランジスターへの適用に取り組んでいる。
熱を分散する層としてのダイヤモンド
3つ目の研究では、MIT、Georgia Tech、Penn Stateの研究者らが、GaNトランジスターを単結晶ダイヤモンドの極薄層に組み込んだ。この層は熱拡散器として機能し、GaNとシリコンの間の温度を均衡させることで、信頼性を犠牲にすることなくデバイスをピーク性能に近づけることを可能にする。
工程は、ウェハーから小さなGaN片を切り出し、フェムト秒レーザーを使ってダイヤモンドに空洞を加工することから始まる。次に、空洞内に固定層を配置してチップを挿入し、熱と圧力を加えた後、構造の上に絶縁層と金属層を追加する。チームはこの技術を用いて、FR3帯域の6G用途向けに、4ワットの無線電力増幅器を製造した。
潜在的な用途は、高出力レーダー、宇宙通信、産業用ドローン、データセンターにおける電力変換にまで広がる可能性がある。実際、これらの成果は、GaNの改善がチャネル材料だけに依存しないことを示している。接続、熱、パッケージングのすべてが、理論上の性能を実際のシステムで利用できるかどうかを左右し得る。