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EPFL / Leistungselektronik

GaN-Nanotransistoren halten hohen Spannungen stand

EPFL, Gallium Nitride, GalliumNitride, Nano Transistor
© EPFL

Mithilfe zweier Innovationen hat ein Team der EPFL Nanotransistoren aus Galliumnitrid für Hochleistungsanwendungen entwickelt, die über 1000 V standhalten. Damit ließe sich beispielsweise die Reichweite von Elektrofahrzeugen vergrößern.

Das Ziel eines Teams von Ingenieuren der EPFL ist es, neuartige Leistungstransistoren zu entwickeln, um den Wirkungsgrad der Wandler zu erhöhen. Mit ihrem völlig neuen Transistordesign, das auf der kontraintuitiven Anwendung von nanoskaligen Strukturen für Hochspannungsanwendungen basiert, sinken während des Wandlungsvorgangs die Verluste, wodurch sich die Transistoren besonders gut für leistungsstarke Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und Solarzellen eignen.

Die Verlustwärme in Wandlern resultiert unter anderem aus dem Durchlasswiderstand der Transistoren. »Je höher die Nennspannung von Halbleiterkomponenten ist, desto größer ist auch der elektrische Widerstand«, erläutert Elison Matioli, Mitautor der Arbeit und Leiter des POWERlab der EPFL. Solche Verluste verkürzen zum Beispiel die Reichweite von Elektrofahrzeugen und verringern die Wirtschaftlichkeit von Anlagen zur Erzeugung regenerativer Energien.

Zusammen mit seinem Doktoranden Luca Nela und seinem Team hat Matioli einen Transistor entwickelt, der den elektrischen Widerstand und somit die Abwärme in Hochleistungssystemen erheblich reduzieren kann. Genauer gesagt beträgt der elektrische Widerstand des Transistors weniger als die Hälfte im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen, und das bei Spannungen von über 1000 V. Die EPFL-Technologie beinhaltet zwei wichtige Innovationen.

Viele Nanodrähte parallel

Die erste besteht darin, dass im Bauteil mehrere leitfähige Kanäle eingebaut werden, um den Stromfluss zu verteilen – ähnlich wie bei einer Autobahn, auf der neue Fahrspuren angelegt werden, um den Verkehr flüssiger fließen zu lassen und Staus zu vermeiden. »Unser Mehrkanaldesign verteilt den Stromfluss, reduziert den Widerstand und senkt die Wärmeabstrahlung«, erläutert Luca Nela, der auch Erstautor der Studie ist.

Die zweite Innovation betrifft den Einsatz von Nanodrähten aus Galliumnitrid, einem Halbleitermaterial, das sich hervorragend für Leistungsanwendungen eignet. Nanodrähte werden bereits in Low-Power-Chips eingesetzt, wie sie in Smartphones und Laptops verwendet werden, nicht aber in Hochspannungsanwendungen. Das POWERlab demonstrierte Nanodrähte mit einem Durchmesser von 15 nm und einer besonderen trichterförmigen Struktur, durch die sie hohe elektrische Felder und Spannungen von über 1000 V aushalten können, ohne kaputtzugehen.

Dank der Kombination dieser beiden Innovationen – dem Mehrkanaldesign, durch das mehr Elektronen fließen können, und der Trichterstruktur, die den elektrischen Widerstand der Nanodrähte optimiert – erzielen die Transistoren höhere Wirkungsgrade in leistungsstarken Systemen. »Der Prototyp, den wir mit abgeschrägten Nanodrähten gebaut haben, schneidet doppelt so gut ab wie die besten GaN-Leistungsbauelemente, die wir in der Fachliteratur finden konnten«, betont Matioli.

Zwar befindet sich die Technologie des Teams noch in der Experimentierphase, doch für eine groß angelegte Fertigung sollte es keine großen Hindernisse geben. »Weitere Kanäle hinzuzufügen ist eine ziemlich einfache Sache, und der Durchmesser unserer Nanodrähte ist doppelt so groß wie die winzigen Transistoren, die beispielsweise Intel herstellt«, so Matioli.

Mehrere große Hersteller haben ihr Interesse bekundet, mit Matioli zusammenzuarbeiten, um diese Technologie weiterzuentwickeln.

Referenzen

L. Nela, et al., Multi-channel nanowire devices for efficient power conversion, Nat Electron 4, 284–290 (2021). https://doi.org/10.1038/s41928-021-00550-8

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