Три недавних исследования предлагают разные решения ключевых проблем, ограничивающих применение нитрида галлия (GaN) в силовой электронике и системах связи: выдерживание высокого напряжения, снижение контактного сопротивления и управление теплом. Результаты получены исследовательскими группами, возглавляемыми такими учреждениями, как Федеральная политехническая школа Лозанны (EPFL), Массачусетский технологический институт (MIT), университеты Нагои, Корнеллский и Джорджийский технологический университеты, Университет штата Пенсильвания, а также китайские исследовательские учреждения.
Транзистор, выдерживающий почти 4 киловольта
Исследователи EPFL разработали новый класс транзисторов GaN, названный intrinsic polarization superjunction (iPSJ). По словам команды, устройство, изготовленное из слоёв GaN на недорогой кремниевой основе, выдержало напряжение около 4 киловольт до пробоя, сохранив низкое сопротивление.
Конструкция использует естественный эффект поляризации в GaN для создания двух параллельных массивов положительных зарядов и электронов. Настройка толщины слоёв позволяет сбалансировать эти заряды, предотвращая накопление избыточного заряда при выключении транзистора и помогая равномерно распределять напряжение по всему устройству. Этот подход также устраняет необходимость в химическом легировании. Исследователи сравнивают его с традиционными транзисторами GaN, которые обычно выходят из строя примерно при 600–650 вольтах.
Команда считает, что способность выдерживать напряжение в широком диапазоне температур может сделать технологию подходящей для систем электромобилей и промышленных силовых систем, однако представленный материал пока не подтверждает готовность этих устройств к коммерческому производству.
Снижение сопротивления p-GaN-контактов
В другом направлении исследователи из Nagoya University, MIT, Cornell University, City University of Hong Kong и Chinese Academy of Sciences снизили сопротивление контактов GaN p-типа, осадив сверхтонкий слой магния на поверхности p-GaN, а затем нагрев его при 600 градусах Цельсия в течение пяти минут.
Согласно команде, метод обеспечил удельное контактное сопротивление в диапазоне (1–3) × 10⁻⁴ Ω cm², что является одним из самых низких значений, заявленных в исследованиях для тонких p-GaN-контактов. Использование толстого слоя магния приводило к шероховатости поверхности, тогда как тонкие образцы показали, что окисление ограничивалось самым верхним поверхностным слоем даже при толщине 10 нанометров.
Во время короткой термической обработки магний диффундирует в поверхностную область и сужает область обеднения, что способствует туннелированию дырок и снижает сопротивление. Исследователи утверждают, что процесс проще, быстрее и дешевле, чем кристаллический рост снизу вверх, и работают над его применением в светодиодах и силовых транзисторах для электромобилей.
Алмаз как слой для распределения тепла
Третье исследование, проведённое MIT, Georgia Tech и Penn State, предполагает интеграцию транзисторов GaN в сверхтонкий слой монокристаллического алмаза. Этот слой действует как теплораспределитель, выравнивая температуры между GaN и кремнием и позволяя устройству приближаться к пиковой производительности без ущерба для надёжности.
Процесс начинается с вырезания небольших пластин GaN из пластины, после чего в алмазе с помощью фемтосекундного лазера вытравливаются полости. Затем в полости помещают фиксирующий слой и вставляют пластины; применяются тепло и давление, после чего поверх структуры добавляются изоляционные и металлические слои. Команда использовала эту технологию для изготовления беспроводного усилителя мощности на 4 ватта, предназначенного для приложений 6G в диапазоне FR3.
Потенциальные области применения могут включать мощные радары, космические системы связи, промышленные беспилотные летательные аппараты и преобразование энергии в центрах обработки данных. На практике результаты показывают, что совершенствование GaN зависит не только от материала канала: соединения, тепло и корпусирование также могут определять, станет ли теоретическая производительность пригодной для использования в реальной системе.