Jahrzehntelang wurden Transistoren aus Silizium hergestellt. In jüngerer Zeit greifen Entwickelnde jedoch auf Galliumnitrid (GaN) zurück, das kleine, effiziente Bauteile ermöglicht, wie beispielsweise Ladegeräte für Smartphones oder größere Komponenten für KI-Rechenzentren, Elektrofahrzeuge und Photovoltaikanlagen.
Bei sehr hohen Spannungen können sich elektrische Felder im Inneren dieser Transistoren jedoch an bestimmten Stellen konzentrieren, was zu einem vorzeitigen Ausfall führt. Daher haben heutige GaN-Bauteile nach wie vor Schwierigkeiten, bei den höchsten Spannungswerten zu funktionieren, die mit Silizium erreicht werden.
Um diese Einschränkung zu überwinden, haben Forschende des „Power and Wide-band-gap Electronics Research Lab“ (POWERlab) der EPFL eine neue Klasse von GaN-Transistoren vorgestellt: die „intrinsic polarization superjunction“ (iPSJ). Das chipgroße Bauelement, das aus Schichten von Galliumnitrid auf einer kostengünstigen Siliziumbasis besteht, hält fast 4 kV stand, bevor es durchschlägt – ein Rekord für diese Art von Technologie. Gleichzeitig weist es einen geringen Widerstand auf, was dazu beiträgt, Energieverluste zu reduzieren, die andernfalls als Wärme freigesetzt würden.
Die Kombination aus Hochspannungsfähigkeit und geringem Widerstand ist für eine effiziente Stromumwandlung in KI-Rechenzentren und Anlagen für erneuerbare Energien unerlässlich. „Wir erreichen dies, indem wir einen natürlichen Polarisierungseffekt nutzen, der für GaN einzigartig ist“, erklärt Elison Matioli, Leiter des POWERlab. „Unsere Arbeit könnte robuste, effiziente Hochspannungs-Leistungselektronik in wesentlich kompakteren Baugrößen ermöglichen.“
Dank der Kristallstruktur von Galliumnitrid sammeln interne elektrische Kräfte bewegliche Elektronen in dünnen Schichten, die Strom leiten. Bei herkömmlichen GaN-Transistoren sind diese Elektronenschichten jedoch auch eine Schwachstelle: Wenn das Bauelement ausgeschaltet wird, werden negativ geladene Elektronen aus dem Strompfad verdrängt, wodurch positive Ladung ohne entsprechende negative Ladung zurückbleibt. Dieses Ungleichgewicht konzentriert die Spannung an einer einzigen Stelle im Bauelement und erzeugt ein intensives elektrisches Feld, das einen Durchschlag auslösen kann.
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Die neue Arbeit des POWERlab zeigt, wie sich dieses Ladungsungleichgewicht verhindern lässt. Die Forscher haben die GaN-Schichten des Transistors so gestaltet, dass sich neben der Elektronenschicht auf natürliche Weise eine zweite Schicht mit positiver Ladung bildet, wodurch sich positive und negative Ladungen ausgleichen. Durch sorgfältige Anpassung der Materialdicke stellt das Team sicher, dass sich die beiden Ladungsschichten im gesamten Bauelement gegenseitig ausgleichen. Dadurch sammelt sich beim Ausschalten des Bauelements keine überschüssige Ladung an, sodass sich die Spannung gleichmäßig über die Länge des Transistors verteilen kann anstatt sich gefährlich anzuhäufen.
Dank dieses innovativen, ausgeglichenen Designs hält der Transistor mehr als das Fünffache der Spannung kommerzieller GaN-Leistungsbauelemente aus, die bei etwa 600 bis 650 Volt durchschlagen. „Unser Bauelement kann über einen breiten Temperaturbereich hinweg hohe Spannungen standhalten und eignet sich daher für Elektrofahrzeuge oder industrielle Stromversorgungssysteme, in denen Elektronik unter hohen Temperaturen und elektrischer Belastung zuverlässig funktionieren muss“, sagt Luca Mazzone.
Yuan Zong fügt hinzu, dass ein weiterer großer Vorteil des Ansatzes darin besteht, dass er die chemische Dotierung überflüssig macht, die bei herkömmlichen Bauelementen zur Steuerung der Ladung eingesetzt wird. „Der dotierungsbasierte Ladungsausgleich in GaN kann sehr temperaturempfindlich sein. Unser dotierungsfreies Design ist der Schlüssel zur Robustheit unseres Bauelements.“
In ergänzenden Arbeiten hat das POWERlab gezeigt, wie durch das Hinzufügen mehrerer Leitungskanäle zu leistungselektronischen Bauteilen der Strom verteilt wird, um den Widerstand und eine Überhitzung zu reduzieren. „Unser nächstes Ziel ist es, diese beiden Ansätze zu kombinieren, um die beiden Herausforderungen der Leistungselektronik der nächsten Generation zu bewältigen: den sicheren Umgang mit sehr hohen Spannungen bei gleichzeitiger Minimierung des elektrischen Widerstands und der daraus resultierenden Energieverluste“, fasst Matioli zusammen. [EPFL / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
L. Mazzone, Y. Zhong, H. Zhu, et al., Intrinsic Polarization Superjunctions in III-Nitrides for efficient power electronics, Nat. Electron. 9, 1058-1066, 28. August / September 2026; DOI: 10.1038/s41928-026-01691-4 - Power and Wide-band-gap Electronics Research Lab – POWERlab (Elison Matioli), School of Engineering, EPFL
