EPFL Araştırmacıları, Elektrikli Araçlar ve Veri Merkezleri İçin Yeni Nesil Yüksek Voltajlı GaN Çipleri Geliştirdi

Cep telefonlarını şarj eden küçük cihazların, verimli bir şekilde elektrik iletebilen ve hacim gerektiren bileşenlere ihtiyaç duymayan galen (GaN) adı verilen gizli bir silahı vardır. Ancak, aynı malzemeden çok daha yüksek voltajları işlemesi istendiğinde, bu durum bazı zorluklara yol açar ve GaN’in bazı uygulamalarda silikona rekabet etmesini engeller.

EPFL araştırmacıları, malzemenin doğal özelliklerinden birini kullanarak elektrik arızasına karşı yerleşik bir savunma mekanizması haline getirerek 3400 voltun üzerinde çalışabilen bir yöntem geliştirmiştir. Bu yaklaşım, cihazın içindeki elektrik yükünün hareketini kontrol etmek için özel kimyasallar eklemek yerine, GaN katmanlarının doğal olarak aynı miktarda pozitif ve negatif yük üretecek şekilde tasarlanmasını içerir.

Bu teknoloji, elektrikli araçlar, yenilenebilir enerji sistemleri ve yüksek enerji tüketen yapay zeka veri merkezlerinde daha küçük, daha verimli güç elektroniği çözümlerinin önünü açabilir.

GaN’de doğal yük dengesi

EPFL’nin POWERlab’ındaki araştırmacılar, GaN’in kristal yapısındaki kendiliğinden oluşan ve piezoelektrik polarizasyonun bir sonucu olarak ortaya çıkan özelliği kullanarak bu sorunu çözmeye çalıştılar. Bu özellik sayesinde, GaN doğal olarak çok ince pozitif ve negatif yük katmanları oluşturabilir.

Geleneksel GaN elektronik cihazlarında, bu katmanlardan biri mobil elektronları içerir ve iki boyutlu elektron gazı (2DEG) olarak adlandırılır. Araştırmacılar, ek bir GaN katmanı tasarlayarak doğal olarak mobil delikleri içeren ikinci bir katman oluşturdu. Bu katman ise iki boyutlu delik gazı (2DHG) olarak adlandırıldı.

En önemli adım, bu iki yük katmanının yaklaşık olarak aynı miktarda yük taşımasını sağlamaktı. GaN’in üst katmanının kalınlığını ayarlayarak, araştırmacılar pozitif yük miktarını kontrol ederek negatif yükü dengelediler. Bu işlem, cihazın performansını artırmak için kritik öneme sahiptir

Cihazlarda, 2DEG yaklaşık 1,03 × 10¹³ elektron/cm² içerirken, 2DHG yaklaşık 1,05 × 10¹³ delik içeriyordu; bu da yaklaşık %2’lik küçük bir fark anlamına geliyordu. Bu hassas denge, cihazın yüksek voltaj altında kararlı çalışmasını sağlar

“Bu, GaN’e özgü doğal bir polarizasyon etkisini kullanarak bunu başardık. Çalışmamız, daha kompakt boyutlarda sağlam ve verimli yüksek voltajlı güç elektroniği çözümlerinin önünü açabilir,” diye belirtti EPFL profesörü ve POWERlab direktörü Elison Matioli. Bu teknoloji, enerji verimliliğini artırmak için önemli bir adımdır

Bu yaklaşım ayrıca, dengeyi sağlamak için kasıtlı doping gerekliliğini ortadan kaldırır. Çünkü doplanmış yük dengesi yapıları, sıcaklık değişimlerine bağlı olarak farklı davranışlar sergileyebilir.

“GaN’de kullanılan yük dengesi, sıcaklığa karşı çok hassas olabilir. Tasarımımızdaki bu özellik, cihazın kararlılığını artırır,” diye belirtti EPFL doktora öğrencisi ve araştırmanın baş yazarlarından biri olan Yuan Zong. Bu tasarım, cihazın güvenilirliğini artırmak için önemlidir

Yüksek voltajdan kilovoltlara

Bu fikir, nispeten ucuz bir silikon substrat üzerine yerleştirilmiş GaN katmanlarından üretilen fiziksel cihazlarda test edildi. İlk olarak, Schottky bariyer diyotları 3900 voltun üzerinde bir bozunma voltajına sahip olacak şekilde üretildi ve aynı zamanda düşük bir on-direnç değerine (47 mΩ cm²) sahipti.

Yük dengesi bu sonuç için kritik öneme sahipti. Yükleri eşleşmeyen bir kontrol cihazı 1000 voltun altında bozulurken, yük dengeli cihaz 3900 volta ulaştı. Transistör versiyonları ise normal çalışma koşullarında 3500 volt ve kapalı durumda 3400 volt dayanabildi. Bu, birçok ticari GaN güç cihazının voltaj derecesinden beş kat daha fazla.

Bu performans aynı zamanda yüksek sıcaklıklarda da korunuyordu. Diyotlar 125°C’ye kadar olan sıcaklıklarda bile bozunma voltajlarını 3300 voltun üzerinde korudu. Tekrarlanan yüksek voltajlı çalışmalarda, dinamik on-dirençleri 3000 volta kadar yaklaşık %15 oranında arttı.

Transistörün dinamik on-direnci ayrı olarak yalnızca 650 V’a kadar test edildi; ancak, araştırmacıların ölçüm kurulumu daha yüksek anahtarlama voltajlarında parazitik etkiler oluşturdu.

Yüksek voltaja dayanabilen ancak aynı zamanda büyük miktarda enerji kaybeden bir transistör sınırlı kullanışlılığa sahip olacaktır. Yeni tasarım, her iki sorunu da aynı anda çözmeyi amaçlar.

“Cihazımız, geniş bir sıcaklık aralığında yüksek voltajı koruyabilir ve bu da onu elektrikli araçlar veya endüstriyel güç sistemleri gibi uygulamalar için uygun hale getirir; çünkü elektronikler yüksek sıcaklıklarda ve elektriksel stres altında güvenilir bir şekilde çalışmalıdır,” diye belirtti çalışma yazarı Luca Mazzone. Bu özellik, cihazın farklı uygulama alanlarında kullanılmasını sağlar

GaN’in daha geniş kullanımı

Bu gelişme, elektrikli araçlar, yenilenebilir enerji sistemleri ve yüksek enerji tüketen yapay zeka veri merkezlerinde daha küçük ve verimli güç dönüştürücülerinin önünü açarak hem donanım boyutunu azaltabilir, hem de ısı kayıplarını en aza indirebilir.

Ancak, bu cihazlar hala laboratuvar ortamında geliştirilen prototiplerdir ve kullanılan substratın sınırlamaları vardır. Kullanılan GaN-on-silikon yapısı, maksimum bozunma voltajını sınırlar; bu nedenle farklı substratlar kullanılarak cihazların daha yüksek voltajlara ulaşması mümkün olabilir.

Araştırmacılar aynı zamanda voltaja ek olarak diğer özellikleri de geliştirmeye odaklanıyor. Paralel bir çalışmada, POWERlab çok kanallı GaN cihazları geliştirerek akımı birden fazla iletim yoluna yayarak direnci azaltmış ve aşırı ısınmayı önlemiştir.

“Bir sonraki adım, yüksek voltajlı güvenliği sağlamak için kullanılan bu iki yaklaşımı birleştirerek aynı zamanda elektriksel direnci en aza indirerek enerji kaybını da azaltmaktır,” diye belirtti Matioli.

Kaynak: Interesting Engineering