Разработана новая технология производства силовых транзисторов на основе нитрида галлия
Нитрид галлия позволяет значительно снизить потери энергии и в три раза уменьшить размеры силовых преобразователей и других модулей силовой электроники, но его внедрение идет медленно из-за ограниченных возможностей затвора, который регулирует поток тока.
В современных коммерческих транзисторах с затвором из нитрида галлия устройство начинает проводить ток при низком пороговом напряжении (напряжение на затворе, необходимое для включения транзистора), которое обычно составляет около 1,5–2 В. При напряжении выше 5–6 В такие транзисторы начинают пропускать ток.
До сих пор не было фундаментального понимания того, как эти транзисторы управляются с помощью затвора и какие факторы определяют пороговое напряжение. Исследователи из Департамента проектирования электронных систем (Department of Electronic Systems Engineering, ESE) Индийского института науки провели исследование, состоящее из двух частей, чтобы изучить эти явления.
«Уникальность нашего подхода заключается в том, что мы сначала установили недостающую физическую связь между обедненным состоянием p-GaN, путями утечки и включением, а затем использовали это понимание для разработки нового стека затворов, который обеспечивает поведение затвора, гораздо более близкое к MOSFET-транзисторам», — говорит Майанк Шривастава, профессор и заведующий кафедрой электроники и систем электроники, а также автор соответствующих исследований.
В первой части команда IISc разработала несколько новых вариантов затворов и сопоставила электронные измерения с моделями и результатами микроскопии. Они показали, что поведение устройства зависит от того, полностью или частично обеднен слой p-GaN.
При частичном истощении решающую роль играют крошечные пути утечки: если положительный заряд накапливается на критическом интерфейсе, устройство включается раньше; если накопление заряда подавляется, сначала расширяется область обеднения, и транзистор включается позже, при более высоком пороге.
Опираясь на эти знания, команда разработала и продемонстрировала новые запирающие слои на основе металлов, которые позволяют снизить утечку затвора в 10 000 раз, повысить стабильность порога и достичь напряжения пробоя затвора до ~15,5 В.
Во второй части исследователи воплотили эти идеи в интегрированном пакете затворов p-GaN на основе AlTiO (оксида алюминия и титана) — совершенно новом запатентованном решении, которое подавляет нежелательное инжектирование заряда и обеспечивает режим высокопорогового расширения обедненного слоя.
Полученные в результате устройства достигают сверхвысокого порогового напряжения > 4 В — близкого к уровням MOSFET—транзисторов с кремниевым питанием — при сохранении надежного управления затвором, повышении стабильности порога и демонстрации сверхвысокого напряжения пробоя затвора.
«Это может ускорить внедрение нитрида галлия в силовые преобразователи электромобилей, серверные блоки питания и блоки питания для центров обработки данных, инверторы для возобновляемых источников энергии и другие высоконадежные силовые коммутационные устройства», — говорит Расик Рашид Малик, аспирант ESE и ведущий автор исследования.
Сообщение Разработана новая технология производства силовых транзисторов на основе нитрида галлия появились сначала на Время электроники.