Разработана новая GaN-технология для мощных преобразователей энергии

Инженеры из Федеральной политехнической школы Лозанны придумали, как заставить транзисторы на основе нитрида галлия работать при куда более высоких напряжениях, чем обычно. Их экспериментальный силовой транзистор выдержал более 3,4 кВ, тогда как стандартные коммерческие GaN-устройства рассчитаны примерно на 600–650 В.

Такого роста — более чем в пять раз — добились не за счёт увеличения размеров. Вместо этого команда EPFL разработала новую архитектуру, названную intrinsic polarization superjunction (iPSJ). Она использует естественную поляризацию слоёв III-нитридных полупроводников.

В обычных транзисторах при высоком напряжении электрическое поле концентрируется в отдельных местах, что приводит к пробою задолго до теоретического предела материала. Производители обычно решают проблему полевыми электродами и усложнением слоёв.

EPFL пошла иначе. В структуре GaN/AlGaN/GaN поляризация создаёт два очень тонких проводящих слоя — один с электронами, другой с дырками. Исследователи подобрали параметры так, что концентрации носителей почти совпадают. При выключении оба слоя опустошаются одновременно, заряд остаётся сбалансированным, а поле распределяется равномерно.

Этот подход позволяет отказаться от химического легирования рабочей области. Для GaN это важно, потому что создание хорошо контролируемых p-областей — сложная задача.

Транзисторы изготовили на кремниевых подложках. Два типа выдержали около 3,4 и 3,5 кВ без полевых электродов. Экспериментальные диоды показали ещё больше — образец с длиной сверхперехода 25 мкм выдержал 3,9 кВ и упёрся в предел измерительной установки. Для сравнения, структура с нарушенным балансом пробилась при 764 В.

Высокое напряжение — не единственный плюс. При переключении до 3 кВ сопротивление открытого канала менялось менее чем на 15%. Это важно: рост сопротивления увеличивает потери энергии и нагрев. Тесты также показали стабильную работу при повышенной температуре и повторных циклах.

Новая архитектура расширяет диапазон, где GaN может конкурировать с кремнием и другими широкозонными материалами. Нитрид галлия уже применяется в компактных зарядниках и всё чаще в мощных преобразователях. Переход от сотен вольт к киловольтам открывает путь к серьёзным системам электропитания — промышленности, электромобилям, дата-центрам.

Последнее особенно актуально на фоне бума ИИ. Центры обработки данных требуют всё больше энергии, поэтому эффективность преобразования становится почти такой же важной, как производительность самих ускорителей. Каждый потерянный процент превращается в лишнее тепло, которое надо отводить.

До коммерческого производства ещё далеко. Работа EPFL показывает новую физическую архитектуру, а не готовую замену серийным компонентам. Но эксперимент доказывает: привычный для зарядников GaN способен выйти на совсем другой класс напряжений, сняв одно из главных ограничений традиционных сверхпереходов.