Üç güncel araştırma, galyum nitridin (GaN) güç elektroniği ve iletişim alanlarında kullanımını sınırlayan temel sorunlara farklı çözümler sunuyor: yüksek gerilime dayanım, temas direncinin azaltılması ve ısıl yönetim. Sonuçlar, Lozan Federal Politeknik Okulu (EPFL), Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) ve Nagoya, Cornell ve Georgia Tech ile Penn State üniversitelerinin yanı sıra Çin'deki araştırma kuruluşları gibi kurumların öncülük ettiği ekiplerden geliyor.
Yaklaşık 4 kilovolta dayanabilen transistör
EPFL araştırmacıları, intrinsic polarization superjunction (iPSJ) adını verdikleri yeni bir GaN transistör sınıfı geliştirdi. Ekibe göre düşük maliyetli bir silikon taban üzerine GaN katmanlarından üretilen cihaz, arızalanmadan önce yaklaşık 4 kilovoltluk gerilime dayanırken düşük direncini korudu.
Tasarım, iki paralel pozitif yük ve elektron dizisi oluşturmak için GaN'deki doğal polarizasyon etkisine dayanıyor. Katman kalınlığının ayarlanması, iki yükü dengeleyerek transistör kapatıldığında fazla yük birikmesini önlüyor ve gerilimin cihaz boyunca eşit şekilde dağılmasına yardımcı oluyor. Yaklaşım ayrıca kimyasal katkılama gereksinimini ortadan kaldırıyor. Araştırmacılar bunu, genellikle yaklaşık 600 ila 650 voltta arızalanan geleneksel GaN transistörleriyle karşılaştırıyor.
Ekip, geniş bir sıcaklık aralığında gerilime dayanımın teknolojiyi elektrikli araç sistemleri ve endüstriyel güç sistemleri için uygun hale getirebileceğini düşünüyor; ancak sunulan materyal, bu cihazların ticari üretime hazır olduğunu henüz kanıtlamıyor.
p-GaN temas direncinin azaltılması
Başka bir çalışmada Nagoya University, MIT, Cornell University, City University of Hong Kong ve Chinese Academy of Sciences araştırmacıları, p tipi GaN temaslarının direncini p-GaN yüzeyine ultra ince bir magnezyum tabakası biriktirip ardından tabakayı beş dakika boyunca 600 santigrat derecede ısıtarak azalttı.
Ekip, yöntemin (1–3) × 10⁻⁴ Ω cm² arasında özgül temas direnci sağladığını belirtiyor; bu değer, araştırmaların ince p-GaN temasları için bildirdiği en düşük değerler arasında yer alıyor. Kalın bir magnezyum tabakasının kullanılmaması yüzey pürüzlülüğünü önlerken ince numuneler, kalınlık 10 nanometre olduğunda bile oksitlenmenin yalnızca en üst yüzey tabakasıyla sınırlı kaldığını gösterdi.
Kısa ısıl işlem sırasında magnezyum yüzey bölgesine yayılıyor ve tükenim bölgesini daraltıyor; bu da deliklerin tünelle geçişini artırarak direnci düşürüyor. Araştırmacılar, sürecin aşağıdan yukarıya kristal büyütmeye kıyasla daha basit, daha hızlı ve daha düşük maliyetli olduğunu söylüyor ve yöntemi LED'lerde ve elektrikli araçlar için güç transistörlerinde uygulamak üzere çalışıyor.
Isıyı dağıtmak için elmas tabakası
MIT, Georgia Tech ve Penn State tarafından yürütülen üçüncü çalışma ise GaN transistörlerini tek kristalli elmastan oluşan ultra ince bir tabakanın içine entegre etti. Tabaka, GaN ile silikon arasındaki sıcaklıkları dengeleyen bir ısı yayıcı olarak çalışıyor ve güvenilirlikten ödün vermeden cihazın en yüksek performansa yaklaşmasını sağlıyor.
Süreç, bir levhadan küçük GaN dilimlerinin kesilmesi ve ardından femtosaniye lazer kullanılarak elmasta oyuklar açılmasıyla başlıyor. Oyuklara bir sabitleme tabakası yerleştirilip dilimler eklendikten sonra ısı ve basınç uygulanıyor; ardından yapının üzerine yalıtkan ve metal katmanlar ekleniyor. Ekip, bu tekniği FR3 bandındaki 6G uygulamalarına yönelik 4 watt gücünde bir kablosuz güç amplifikatörü üretmek için kullandı.
Potansiyel uygulamalar arasında yüksek güçlü radarlar, uydu iletişimi, endüstriyel insansız hava araçları ve veri merkezlerinde güç dönüşümü yer alabilir. Pratikte sonuçlar, GaN'ın geliştirilmesinin yalnızca kanal malzemesine bağlı olmadığını ortaya koyuyor; bağlantılar, ısı ve paketleme de teorik performansın gerçek bir sistemde kullanılabilir olup olmayacağını belirleyebilir.