Das Gerät könnte die Energieverschwendung in Elektrofahrzeugen, Rechenzentren und im Stromnetz drastisch reduzieren

MIT-Postdoc Yuhao Zhang, handhabt einen Wafer mit Hunderten von vertikalen Galliumnitrid-Leistungsbauelementen, die aus der Produktionslinie der Microsystems Technology Laboratories hergestellt werden. Bildnachweis: Yuhao Zhang

Leistungselektronik, die zum Beispiel Spannungen verändert oder zwischen Gleich- und Wechselstrom umwandelt, ist allgegenwärtig. Sie sind in den Power Bricks enthalten, mit denen wir unsere tragbaren Geräte aufladen; sie sind in den Batteriepacks von Elektroautos enthalten; und sie befinden sich im Stromnetz selbst, wo sie zwischen Hochspannungsleitungen und den niedrigeren Spannungen der Haushaltssteckdosen vermitteln.

Die Stromwandlung ist von Natur aus ineffizient: Ein Stromrichter wird nie ganz so viel Leistung abgeben, wie er aufnimmt. In letzter Zeit kommen jedoch Stromrichter aus Galliumnitrid auf den Markt, die höhere Wirkungsgrade und kleinere Abmessungen aufweisen als herkömmliche siliziumbasierte Stromversorgungen Konverter.

Kommerzielle Galliumnitrid-Leistungsgeräte können jedoch keine Spannungen über etwa 600 Volt verarbeiten, was ihre Verwendung auf Haushaltselektronik beschränkt.

Beim International Electron Devices Meeting des Institute of Electrical and Electronics Engineers in dieser Woche präsentierten Forscher des MIT, des Halbleiterunternehmens IQE, der Columbia University, IBM und der Singapore-MIT Alliance for Research and Technology ein neues Design, das in Tests ermöglichte Galliumnitrid-Leistungsbauelemente für Spannungen von 1.200 Volt.

Das reicht bereits für den Einsatz in Elektrofahrzeugen, aber die Forscher betonen, dass es sich bei ihrem Gerät um einen ersten Prototyp handelt, der in einem akademischen Labor hergestellt wurde. Sie glauben, dass weitere Arbeiten seine Kapazität auf den Bereich von 3.300 bis 5.000 Volt steigern können, um die Effizienz von Galliumnitrid auf die Leistungselektronik im Stromnetz selbst zu übertragen.

Das liegt daran, dass das neue Gerät ein grundlegend anderes Design verwendet als die bestehende Galliumnitrid-Leistungselektronik.

“Alle kommerziell erhältlichen Geräte sind sogenannte Lateral Devices”, sagt Tom谩s Palacios, Professor für Elektrotechnik und Informatik am MIT, Mitglied der Microsystems Technology Laboratories und leitender Autor des neuen Artikels. „Das gesamte Gerät wird also auf der Oberseite des Galliumnitrid-Wafers hergestellt, was für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch wie dem Laptop-Ladegerät gut ist. Aber für Anwendungen mit mittlerer und hoher Leistung sind vertikale Geräte viel besser. Dies sind Geräte, bei denen der Strom fließt, anstatt durch die Oberfläche des Halbleiters zu fließen, durch den Wafer, über den Halbleiter. Vertikale Geräte sind viel besser in Bezug darauf, wie viel Spannung sie bewältigen können und wie viel Strom sie kontrollieren.”

Zum einen, erklärt Palacios, fließt Strom in eine Oberfläche eines vertikalen Geräts und aus der anderen heraus. Das bedeutet, dass es einfach mehr Platz zum Anschließen von Eingangs- und Ausgangskabeln gibt, was höhere Strombelastungen ermöglicht.

Das Gerät könnte die Energieverschwendung in Elektrofahrzeugen, Rechenzentren und im Stromnetz drastisch reduzieren
淚Anstatt den komplizierten Zickzackpfad für den Strom in herkömmlichen vertikalen Transistoren zu machen, sagt Professor Tom谩s Palacios, wird die Geometrie des Transistors vollständig ändern. Ihre vertikalen Galliumnitrid-Transistoren haben oben klingenartige Vorsprünge, die als ins bekannt sind. Die Enge der Finne stellt sicher, dass die Gate-Elektrode den Transistor ein- und ausschalten kann. Bildnachweis: Massachusetts Institute of Technology

Zum anderen sagt Palacios: „Wenn Sie seitliche Geräte haben, fließt der gesamte Strom durch eine sehr schmale Materialplatte nahe der Oberfläche. Wir sprechen von einer Materialplatte, die nur 50 Nanometer dick sein könnte geht dort durch, und die gesamte Wärme wird in diesem sehr engen Bereich erzeugt, also wird es wirklich, wirklich, sehr heiß. In einem vertikalen Gerät fließt der Strom durch den gesamten Wafer, so dass die Wärmeableitung viel gleichmäßiger ist.”

Das Feld eingrenzen

Obwohl ihre Vorteile bekannt sind, war es schwierig, vertikale Bauelemente aus Galliumnitrid herzustellen. Leistungselektronik hängt von Transistoren ab, Geräten, bei denen eine an ein “Gate” angelegte Ladung ein Halbleitermaterial – wie Silizium oder Galliumnitrid – zwischen einem leitenden und einem nichtleitenden Zustand schaltet.

Damit dieses Schalten effizient ist, muss der durch den Halbleiter fließende Strom auf einen relativ kleinen Bereich begrenzt werden, auf den das elektrische Feld des Gates einen Einfluss ausüben kann. In der Vergangenheit hatten Forscher versucht, vertikale Transistoren zu bauen, indem sie physikalische Barrieren in das Galliumnitrid einbetteten, um Strom in einen Kanal unter dem Gate zu leiten.

Aber die Barrieren bestehen aus einem temperamentvollen Material, das teuer und schwer herzustellen ist, und es hat sich als Herausforderung erwiesen, es mit dem umgebenden Galliumnitrid so zu integrieren, dass die elektronischen Eigenschaften des Transistors nicht beeinträchtigt werden.

Palacios und seine Mitarbeiter wählen eine einfache, aber effektive Alternative. Zum Team gehören die Erstautoren Yuhao Zhang, Postdoc in Palacios’ Labor, und Min Sun, der im vergangenen Frühjahr seinen Doktortitel am MIT am Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) erhielt; Daniel Piedra und Yuxuan Lin, MIT-Absolventen in EECS; Jie Hu, Postdoc in Palacios’ Gruppe; Zhihong Liu von der Singapore-MIT Alliance for Research and Technology; Xiang Gao von IQE; und Columbias Ken Shepard.

Anstatt eine interne Barriere zu verwenden, um Strom in einen schmalen Bereich eines größeren Geräts zu leiten, verwenden sie einfach ein schmaleres Gerät. Ihre vertikalen Galliumnitrid-Transistoren haben oben klingenartige Vorsprünge, die als “Flossen” bekannt sind. Auf beiden Seiten jeder Finne befinden sich elektrische Kontakte, die zusammen als Gate wirken. Der Strom tritt in den Transistor durch einen anderen Kontakt oben auf der Rippe ein und tritt durch die Unterseite des Geräts aus. Die Enge der Finne stellt sicher, dass die Gate-Elektrode den Transistor ein- und ausschalten kann.

“Yuhao und Mins brillante Idee war, glaube ich, zu sagen: ‘Anstatt den Strom durch mehrere Materialien auf demselben Wafer einzuschränken, lasst uns ihn geometrisch begrenzen, indem wir das Material aus den Bereichen entfernen, in denen der Strom nicht fließen soll ‘”, sagt Palacios. “Anstatt den komplizierten Zickzack-Pfad für den Strom in herkömmlichen vertikalen Transistoren zu machen, ändern wir die Geometrie des Transistors vollständig.”


Leave a Comment