Nieuwe GaN-transistor brengt bijna 4000 volt naar de chip

EPFL-onderzoekers hebben een galliumnitride-transistor ontwikkeld die bijna 4000 volt kan weerstaan. Daarmee laten ze zien dat hoge spanningen en compacte vermogenselektronica dichter bij elkaar kunnen komen. De technologie kan op termijn interessant zijn voor onder meer elektrische voertuigen, duurzame energie en datacenters.

Galliumnitride (GaN) staat al langer bekend als een veelbelovend materiaal voor vermogenselektronica. GaN-transistors kunnen hoge frequenties combineren met een lage elektrische weerstand, waardoor systemen kleiner en efficiënter kunnen worden. Tot nu toe vormde de maximale spanning echter een belangrijke beperking. Onderzoekers van EPFL in Zwitserland hebben nu een transistor gedemonstreerd die bijna 4000 volt kan blokkeren. Dat is aanzienlijk hoger dan de circa 600 tot 650 volt die gangbare GaN-vermogentransistors aankunnen.

Elektrisch veld beter verdelen

De kern van de innovatie is een zogenoemde intrinsic polarization superjunction (iPSJ). Het ontwerp maakt gebruik van een bijzondere eigenschap van GaN: de spontane en piëzo-elektrische polarisatie van het kristal.

Bij hoge spanning ontstaat in een transistor een sterk elektrisch veld. Wanneer dat veld zich op een bepaalde plek concentreert, kan het halfgeleidermateriaal doorslaan. De onderzoekers proberen dat te voorkomen door de elektrische lading binnen de transistor beter te verdelen. Een opvallend aspect van het ontwerp is dat hiervoor geen conventionele chemische doping nodig is. De onderzoekers benutten de intrinsieke polarisatie-eigenschappen van GaN om de benodigde ladingsbalans te creëren.

Meer spanning, zonder een enorme transistor

GaN kan zeer snel schakelen en heeft gunstige eigenschappen voor compacte vermogenssystemen. Als die voordelen ook bij veel hogere spanningen beschikbaar komen, ontstaat een interessant nieuw toepassingsgebied. Denk bijvoorbeeld aan elektrische voertuigen, omvormers voor zonne- en windenergie, industriële voedingen en elektriciteitsvoorziening voor datacenters.

Nog geen commerciële 4-kV-GaN-chip

Het gaat nog om experimentele technologie. De volgende stap is onder meer het verder verbeteren van de combinatie tussen hoge spanningsbestendigheid en lage weerstand. EPFL onderzoekt daarbij ook ontwerpen met meerdere geleidingskanalen.