Команда исследователей из Гонконгского университета науки и технологий представили инновационное решение — гибридную технологию HyFET (Hybrid Field-Effect Transistor) в изготовлении силового полупроводникового транзистора. Технология соединяет два материала (нитрид галлия и карбид кремния), чтобы объединить их лучшие свойства и минимизировать слабые стороны.
После десятилетий доминирования кремния два новых материала — карбид кремния и нитрид галлия — начали завоевывать многомиллиардные рынки. Карбид кремния — это полупроводник, который выбирают, например, для инверторов и зарядных устройств в электромобилях. Нитрид галлия встречается в настенных зарядных устройствах для смартфона или ноутбука.
Но у этих технологии есть фундаментальные недостатки. Для транзистора из карбида кремния — это относительно низкая подвижность электронов в канале — области под затвором устройства, через которую ток течет между источником и сливом. Эта низкая мобильность препятствует переключению транзисторов SiC с высокой скоростью. Это, в свою очередь, ограничивает их эффективность при преобразовании между переменным током и прямым током.
Транзисторы из нитрида галлия имеют особенность, известную как «динамическое сопротивление»: когда устройство проводит ток, его сопротивление зависит от величины напряжения — более высокое напряжение вызывает более высокое сопротивление. Другая проблема с GaN заключается в том, что физический размер устройства и его стоимость растут по мере того, как растет требование к увеличению напряжения в сети..
Гибридный транзистор HyFET позволяет взять самые сильные стороны обоих материалов. В этом устройстве высокоподвижные электроны в GaN-транзисторе контролируют работу мощного SiC-транзистора. Это дает возможность добиться высокой частоты переключения благодаря GaN при сохранении способности блокировать напряжение в 600 В за счет SiC.
Устройство вызвало воодушевление у экспертов в области широкополосных полупроводников, хотя мнения относительно коммерческих перспектив были более осторожными. По словам Дебдипа Джены, профессора Корнеллского университета, «работа имеет большой потенциал и заслуживает внимания». Однако другие эксперты в области силовой электроники высказывают и более сдержанные оценки, отмечая, что гибридная технология существенно усложняет и удорожает производство, поскольку требует совмещения двух разных полупроводниковых техпроцессов в одном производственном цеху.
Кроме того, с развитием технологии GaN его характеристики могут настолько улучшиться, что отпадет необходимость в подобных гибридных решениях. По словам профессора Калифорнийского университета Умеша Мишры, большинство преимуществ HyFET можно было бы получить и более дешевым способом, упаковав GaN и SiC транзисторы в один корпус. Однако по мнению руководителя группы исследования Кевина Чена транзисторы, которые просто упакованы вместе, а не интегрированы, как в технологии HyFET, могут иметь нежелательные электронные характеристики, такие как паразитическая индуктивность, которая будет поражать их и ухудшать характеристики транзисторов.
Прибор уже продемонстрировал очевидные преимущества характеристик перед аналогами. Дальнейшее совершенствование технологии лишь улучшит характеристики транзистора. А вот широкое применение технологии будет зависеть от конкурентоспособности и сопоставимости затрат с затратами на изготовление аналогов.