Сверхтонкий транзистор на 8 киловольт обещает революцию в силовой электронике

В статье, опубликованной в июньском издании журнала IEEE Electron Device Letters, инженеры-электротехники из Университета Баффало (UB) объяснили, как миниатюрный электронный коммутатор толщиной в лист бумаги может работать с напряжением, превосходящим 8 киловольт.

Этот транзистор на основе оксида галлия, созданный группой под руководством доцента Школы инженерных и прикладных наук UB Уттами Сингисетти (Uttam Singisetti), может привести к появлению более компактной и эффективной силовой электроники — систем, контролирующих и преобразующих электроэнергию в электрических автомобилях, локомотивах и самолетах.

«Чтобы действительно вытолкнуть эти технологии в будущее, нам нужны электронные компоненты следующего поколения, которые могут выдерживать повышенные силовые нагрузки без увеличения габаритов систем силовой электроники», — говорит Сингисетти.

Основной причиной выбора исследователями UB оксида галлия стала ширина его запрещённой зоны, которая составляет около 4,8 электрон-вольт (эВ). Такое значение ставит этот материал особняком даже в элитной группе обладателей сверхширокой запрещённой зоны. Из этих материалов, рассматриваемых как перспективная альтернатива кремнию (1,1 эВ), у карбида кремния ширина зоны составляет приблизительно 3,4, а у нитрида галлия — 3,3 эВ.

Главным новшеством разработанного в UB транзистора стал метод пассивации, то есть снижения химической реактивности поверхности устройства. Сингисетти применил в этих целях покрытие из SU-8, полимера на эпоксидной основе, часто используемого в микроэлектронике.

Проведённые в марте испытания показали, что такой пассивированный транзистор способен выдерживать напряжение 8032 вольт до выхода из строя. Это превышает возможности экспериментальных транзисторов аналогичной конструкции, сделанных из карбида кремния или нитрида галлия.

«Чем выше напряжение пробоя, тем большую мощность может выдержать устройство, — говорит Сингисетти. — Пассивирующий слой, это простой, действенный и экономически эффективный способ повышения производительности транзисторов на основе оксида галлия».

Численное моделирование даёт напряженность поля для этого транзистора более 10 миллионов вольт (или 10 мегавольт) на сантиметр. Этот показатель в конечном итоге и определяет размер и вес систем силовой электроники, однако результаты симуляции ещё предстоит подтвердить прямыми экспериментальными измерениями.