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Hauchdünner Galliumoxid-Transistor bewältigt mehr als 8 kV: Ausgabe 13/2020, 27.08.2020

Dieser Transistor verträgt 8032 Volt, bevor er durchschlägt!

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: University at Buffalo

Die Menschen lieben ihre Elektroautos – aber nicht so sehr die damit verbundenen sperrigen Batterien und notwendigen Energiesysteme, die wertvollen Laderaum beanspruchen. Hilfe könnte von einem Transistor auf Galliumoxidbasis kommen, der an der Universität von Buffalo entwickelt wurde.

Dünn wie ein Blatt Papier In einer Studie, die in «IEEE Electron Device Letters» veröffentlicht wurde, beschreiben die Spezialisten der Universität, wie der winzige elektronische Schalter mit mehr als 8000 Volt umgehen kann – eine beeindruckende Leistung, wenn man bedenkt, dass dieser ungefähr so dünn wie ein Blatt Papier ist. Der Transistor könnte die Entwicklung kleinerer und effi zienterer Systeme der Leistungselektronik mit sich bringen, die elektrische Leistungen in Elektroautos, Lokomotiven und Flugzeugen regeln und umwandeln. Dies wiederum kann dazu beitragen, die Reichweite dieser Fahrzeuge zu verbessern.

Vorteile auch bei Mikronetztechnologien und Festkörpertransformatoren «Um diese Technologien wirklich in die Zukunft voranzutreiben, benötigen wir elektronische Komponenten der nächsten Generation, die grössere Leistungslasten bewältigen können, ohne die Grösse der Leistungselektroniksysteme zu erhöhen», sagte der Hauptautor der Studie, Uttam Singisetti. Er fügte hinzu, dass der Transistor auch für Mikronetztechnologien und Festkörpertransformatoren von Vorteil sein kann.

Bandlücke» als Schlüsselfaktor Professor Singisetti, PhD, und die Studenten in seinem Labor haben das Potenzial von Galliumoxid schon länger untersucht, einschliesslich früherer Arbeiten, in denen aus diesem Material hergestellte Transistoren erforscht wurden. Vielleicht kann der Hauptgrund, warum die Forscher das Potenzial von Galliumoxid für die Leistungselektronik studieren, in einer Materialeigenschaft gesehen werden, die als «Bandlücke» bekannt ist. Diese weist nämlich darauf hin, wie viel Energie erforderlich ist, um ein Elektron in einen leitenden Zustand zu versetzen. Systeme aus Materialien mit grosser Bandlücke können dünner und leichter sein und mehr Leistung verarbeiten als Systeme aus Materialien mit geringerer Bandlücke.

Elitegruppe von Materialien Die Bandlücke von Galliumoxid beträgt etwa 4,8 Elektronenvolt (eV), womit es zu einer Elitegruppe von Materialien gehört, die als Materialien mit ultrabreiter Bandlücke angesehen werden. Die Bandlücke dieser Materialien übertrifft die von Silizium (1,1 eV), dem in der Leistungselektronik bisher am weitesten verbreiteten Material. Das gilt auch für potenzielle Ersatzmaterialien von Silizium, darunter Siliziumkarbid (etwa 3,4 eV) und Galliumnitrid (etwa 3,3 eV). Eine Schlüsselinnovation beim neuen Transistor betrifft die Passivierung, ein chemischer Prozess, bei dem das Bauelement beschichtet wird, um die chemische Reaktivität seiner Oberfl äche zu verringern. Um dies zu erreichen, fügte Singisetti eine Schicht SU-8 hinzu. Dieses Polymer auf Epoxidbasis wird üblicherweise in der Mikroelektronik verwendet.

Beeindruckende Ergebnisse Tests zeigten, dass der Transistor 8032 Volt verträgt, bevor er durchschlägt, was weitaus mehr ist als ähnlich gefertigte und in der Entwicklung befi ndliche Transistoren aus Siliziumkarbid oder Galliumnitrid bieten können. «Je höher die Durchbruchspannung ist, desto mehr Leistung verträgt ein Bauelement», sagte Singisetti. «Die Passivierungsschicht ist ein einfacher, effi zienter und kostengünstiger Weg, um die Leistung von Galliumoxid-Transistoren zu steigern».

Mehr als 10 Millionen Volt pro Zentimeter Simulationen deuten darauf hin, dass der Transistor eine Feldstärke von mehr als 10 Millionen Volt pro Zentimeter aufweist. Die Feldstärke misst die Intensität einer elektromagnetischen Welle an einer bestimmten Stelle und bestimmt schliesslich die Grösse und das Gewicht von Systemen der Leistungselektronik. «Diese simulierten Feldstärken sind beeindruckend. Sie müssen jedoch durch direkte experimentelle Messungen verifi ziert werden», meinte Singisetti. Dieses Forschungsprojekt wurde vom «U.S. Air Force Offi ce of Scientifi c Research» und durch die «U.S. National Science Foundation» unterstützt. «

University at Buffalo www.buffalo.edu

Schrifttum

Shivam Sharma, Ke Zeng, Sudipto Saha, Uttam Singisetti. Field-Plated Lateral Ga2O3 MOSFETs With Polymer Passivation and 8.03 kV Breakdown Voltage. IEEE Electron Device Letters, 2020; 41 (6): 836 DOI: 10.1109/ LED.2020.2991146



Die linke Grafi k zeigt die Durchbruchspannung von drei verschiedenen Versionen des GalliumoxidTransistors. Die Abbildung rechts zeigt die Konfi guration und die Materialien, aus denen der Transistor besteht, der eine Durchbruchspannung von mehr als 8000 V erreichte


Professor Uttam Singisetti von der University at Buffalo.