Neue Nanotransistoren bewahren bei hohen Spannungen einen kühlen Kopf

Leistungswandler spielen beispielsweise in Elektrofahrzeugen und Solarzellen eine wesentliche Rolle, verlieren aber bei der Stromumwandlung viel Energie in Form von Wärme. Dank eines neuen Transistortyps, der an der EPFL entwickelt wurde, können diese Wandler mit deutlich verbesserten Wirkungsgraden arbeiten, insbesondere bei Anwendungen mit hoher Leistung.

Lionel Pousaz 26.03.2021

Stromwandler sind die wenig bekannten Systeme, die Elektrizität so magisch machen. Sie sind es, die es uns ermöglichen, unsere Computer, Lampen und Fernseher anzuschliessen und sie im Handumdrehen einzuschalten. Wandler wandeln den Wechselstrom (AC), der aus den Steckdosen kommt, in genau den Gleichstrom (DC) um, den unsere Elektronik benötigt. Allerdings verlieren sie dabei im Schnitt bis zu 20 % ihrer Energie.

Leistungswandler arbeiten mit Leistungstransistoren – winzigen Halbleiterbauelementen, die so konstruiert sind, dass sie ein- und ausschalten und hohen Spannungen standhalten können. Das Ziel des EPFL-Ingenieurteams ist es, neuartige Leistungstransistoren zu entwickeln, um die Effizienz der Wandler zu verbessern. Mit ihrem völlig neuen Transistordesign, das auf der kontraintuitiven Anwendung von nanoskaligen Strukturen für Hochspannungsanwendungen basiert, geht während des Umwandlungsprozesses viel weniger Wärme verloren, wodurch sich die Transistoren besonders gut für Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeuge und Solarzellen eignen. Die Forschungsergebnisse wurden soeben veröffentlicht in Nature Electronics.

Die Wärmeabgabe in Wandlern wird unter anderem durch den hohen elektrischen Widerstand verursacht, der die grösste Herausforderung bei leistungselektronischen Geräten darstellt: «Wir sehen jeden Tag Beispiele für Stromverluste, etwa wenn sich das Ladegerät Ihres Laptops erhitzt», sagt Elison Matioli, Mitautor der Arbeit und Leiter des POWERlab der EPFL.

Noch problematischer wird dies bei Anwendungen mit hoher Leistung: «Je höher die Nennspannung von Halbleiterkomponenten ist, desto grösser ist der Widerstand», fügt er hinzu. Leistungsverluste verkürzen zum Beispiel die Reichweiten von Elektrofahrzeugen und verringern den Wirkungsgrad von Anlagen für erneuerbare Energien.

«Der Prototyp, den wir mit abgeschrägten Nanodrähten gebaut haben, ist doppelt so gut wie die besten GaN-Leistungsbauelemente in der Literatur.» Elison Matioli

Matioli hat zusammen mit seinem Doktoranden Luca Nela und seinem Team einen Transistor entwickelt, der den Widerstand und die Wärmeabgabe in Hochleistungssystemen erheblich reduzieren kann. Genauer gesagt hat er weniger als halb so viel Widerstand wie herkömmliche Transistoren und hält dabei Spannungen von über 1000 V. Die EPFL-Technologie beinhaltet zwei wichtige Innovationen.

Die erste besteht darin, mehrere leitende Kanäle in das Bauteil einzubauen, um den Stromfluss zu verteilen – ähnlich wie neue Fahrspuren auf einer Autobahn, die den Verkehr flüssiger machen und Staus verhindern sollen: «Unser Mehrkanaldesign teilt den Stromfluss auf und reduziert so den Widerstand und die Überhitzung», sagt Nela.

Die zweite Innovation ist die Verwendung von Nanodrähten aus Galliumnitrid, einem Halbleitermaterial, das sich ideal für Stromanwendungen eignet. Nanodrähte werden bereits in Chips mit geringem Stromverbrauch 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 einzigartigen trichterförmigen Struktur, die es ihnen ermöglicht, hohe elektrische Felder und Spannungen von über 1000 V auszuhalten, ohne zusammenzubrechen.

Dank der Kombination dieser beiden Innovationen – dem Mehrkanaldesign, das mehr Elektronen fliessen lässt, und der Trichterstruktur, die den Widerstand der Nanodrähte erhöht – können die Transistoren grössere Umwandlungseffizienzen in Hochleistungssystemen bieten: «Der Prototyp, den wir mit abgeschrägten Nanodrähten gebaut haben, ist doppelt so gut wie die besten GaN-Leistungsbauelemente in der Literatur», sagt Matioli.

Obwohl sich die Technologie der Ingenieure noch in der Experimentierphase befindet, sollte es keine grösseren Hindernisse für eine gross angelegte Produktion geben: «Das Hinzufügen weiterer Kanäle ist eine ziemlich triviale Angelegenheit, und der Durchmesser unserer Nanodrähte ist doppelt so gross wie die kleinen Transistoren von Intel», sagt Matioli. Das Team hat mehrere Patente für seine Erfindung angemeldet.

Die Nachfrage nach Chips, die bei hohen Spannungen effizient arbeiten können, wird mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen steigen, da sich effizientere Chips direkt in größeren Reichweiten niederschlagen. Mehrere grosse Hersteller haben Interesse an einer Zusammenarbeit mit Matioli bekundet, um diese Technologie weiterzuentwickeln.