Bằng cách khai thác các đặc tính của nitrua gali (GaN), các kỹ sư tại Trường Bách khoa Liên bang Lausanne (EPFL, Thụy Sĩ) đã chế tạo một transistor siêu nhỏ có thể chịu điện áp rất cao với tổn hao năng lượng tối thiểu - yêu cầu then chốt đối với các trung tâm dữ liệu AI, xe điện và hệ thống điện mặt trời. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Electronics.

Trong mọi thiết bị điện tử, dòng điện được điều khiển bằng một công tắc gọi là transistor. Trong nhiều thập kỷ, các công tắc này chủ yếu được chế tạo từ silic. Gần đây, các kỹ sư chuyển sang sử dụng nitrua gali (GaN), vật liệu cho phép chế tạo những thiết bị nhỏ gọn và hiệu quả, chẳng hạn bộ sạc điện thoại thông minh. Tuy nhiên, ở điện áp rất cao, điện trường bên trong transistor có thể tập trung tại một số điểm, khiến thiết bị hỏng sớm. Vì vậy, các thiết bị GaN hiện nay vẫn khó hoạt động ở những mức điện áp cao nhất mà linh kiện silic đã đạt được.

Để khắc phục hạn chế này, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Điện tử Công suất và Vật liệu vùng cấm rộng (POWERlab), thuộc Trường Kỹ thuật EPFL, đã phát triển một dòng transistor GaN hoàn toàn mới: siêu tiếp giáp phân cực nội tại (iPSJ). Thiết bị có kích thước cỡ chip, gồm các lớp GaN trên đế silic giá rẻ, có thể chịu điện áp gần 4 kilovolt (kV) trước khi đánh thủng - mức kỷ lục đối với loại công nghệ này. Đồng thời, transistor vẫn duy trì điện trở thấp, qua đó giảm phần năng lượng thất thoát dưới dạng nhiệt.

Nhờ cấu trúc tinh thể của GaN, các lực điện bên trong tập hợp electron di động thành những lớp mỏng dẫn dòng. Tuy nhiên, trong transistor GaN thông thường, chính các lớp electron này lại là một điểm yếu: khi thiết bị tắt, electron mang điện tích âm bị đẩy khỏi đường dẫn dòng điện, để lại điện tích dương không có điện tích âm tương ứng. Sự mất cân bằng này làm điện áp tập trung tại một điểm, tạo ra điện trường mạnh có thể gây đánh thủng. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế các lớp GaN để một lớp điện tích dương thứ hai hình thành tự nhiên bên cạnh lớp electron, tạo thành cặp điện tích âm - dương cân bằng. Bằng cách tinh chỉnh độ dày vật liệu, hai lớp điện tích cân bằng nhau trên toàn bộ thiết bị, giúp điện áp phân bố đều dọc theo transistor.

Thiết kế cân bằng này cho phép transistor của POWERlab chịu điện áp cao gấp hơn năm lần so với các linh kiện công suất GaN thương mại, vốn thường bị đánh thủng ở khoảng 600-650 V. Theo nghiên cứu sinh Luca Mazzone, đồng tác giả chính, thiết bị có thể duy trì điện áp cao trong một dải nhiệt độ rộng, phù hợp với xe điện hoặc hệ thống điện công nghiệp - nơi linh kiện điện tử phải hoạt động tin cậy ở nhiệt độ cao và dưới ứng suất điện lớn. Một ưu điểm quan trọng khác là phương pháp này không cần pha tạp hóa học, vốn có độ nhạy cao với nhiệt độ, nhờ đó tăng độ ổn định của thiết bị.

Theo Giáo sư Elison Matioli, người đứng đầu POWERlab, kết quả đạt được nhờ khai thác hiệu ứng phân cực tự nhiên đặc trưng của GaN. Công trình có thể mở đường cho các linh kiện điện tử công suất cao áp bền vững, hiệu quả và nhỏ gọn hơn nhiều. Khả năng đồng thời chịu điện áp cao và duy trì điện trở thấp là yếu tố thiết yếu để chuyển đổi điện năng hiệu quả trong các trung tâm dữ liệu AI và hệ thống năng lượng tái tạo - những lĩnh vực đang tăng trưởng nhanh và tiêu thụ ngày càng nhiều điện.

NPA (Theo École Polytechnique Fédérale de Lausanne)