NCSU-forskere skaber ny højeffektelektronik – med enorme implikationer

7. september 2022

Ingeniørforskere har skabt nye højeffekt elektroniske enheder, der er mere energieffektive end tidligere teknologier. Enhederne er muliggjort af en unik teknik til at "doping" galliumnitrid (GaN) på en kontrolleret måde.

"Mange teknologier kræver strømkonvertering - hvor strøm skiftes fra et format til et andet," siger Dolar Khachariya, den første forfatter til et papir om værket og en tidligere ph.d. studerende ved North Carolina State University. “For eksempel kan teknologien have brug for at konvertere AC til DC eller konvertere elektricitet til arbejde – som en elmotor. Og i ethvert strømkonverteringssystem sker det meste strømtab ved strømafbryderen - som er en aktiv komponent i det elektriske kredsløb, der laver strømkonverteringssystemet.

"Udvikling af mere effektiv strømelektronik såsom strømafbrydere reducerer mængden af strøm, der går tabt under konverteringsprocessen," siger Khachariya, som nu er forsker hos Adroit Materials Inc. "Dette er især vigtigt for udvikling af teknologier til at understøtte en mere bæredygtig strømforsyning infrastruktur, såsom smart grids."

Strømkonvertering påvirker højteknologiske sektorer, såsom transit

"Vores arbejde her betyder ikke kun, at vi kan reducere energitabet i kraftelektronik, men vi kan også gøre systemerne til effektkonvertering mere kompakte sammenlignet med konventionel silicium- og siliciumkarbidelektronik," siger Ramón Collazo, medforfatter af papiret og en lektor i materialevidenskab og teknik ved NC State. "Dette gør det muligt at inkorporere disse systemer i teknologier, hvor de i øjeblikket ikke passer på grund af vægt- eller størrelsesbegrænsninger, såsom i biler, skibe, fly eller teknologier, der er distribueret i et smart grid."

I en papir udgivet i 2021, skitserede forskerne en teknik, der bruger ionimplantation og aktivering til at dope målrettede områder i GaN-materialer. Med andre ord konstruerede de urenheder i specifikke områder på GaN-materialer for selektivt at modificere de elektriske egenskaber af GaN kun i disse regioner.

Sådan fungerer det

I deres nye papir har forskerne demonstreret, hvordan denne teknik kan bruges til at skabe faktiske enheder. Specifikt brugte forskerne selektivt dopede GaN-materialer til at skabe Junction Barrier Schottky (JBS) dioder.

"Strømensrettere, såsom JBS-dioder, bruges som omskiftere i ethvert strømsystem," siger Collazo. "Men historisk set er de lavet af halvlederne silicium eller siliciumcarbid, fordi de elektriske egenskaber ved udopet GaN ikke er kompatible med arkitekturen af JBS-dioder. Det virker bare ikke.

"Vi har demonstreret, at man selektivt kan dope GaN for at skabe funktionelle JBS-dioder, og at disse dioder ikke kun er funktionelle, men muliggør mere strømeffektiv konvertering end JBS-dioder, der bruger konventionelle halvledere. For eksempel, i tekniske termer, har vores GaN JBS-diode, fremstillet på et naturligt GaN-substrat, rekordhøj gennembrudsspænding (915 V) og rekordlav on-modstand.

"Vi arbejder i øjeblikket med industripartnere for at opskalere produktionen af selektivt dopet GaN, og vi leder efter yderligere partnerskaber til at arbejde med spørgsmål relateret til mere udbredt fremstilling og anvendelse af strømenheder, der gør brug af dette materiale," siger Collazo.

Mere om forskningen

Papiret, "Lodrette GaN Junction Barrier Schottky-dioder med næsten ideel ydeevne ved hjælp af Mg-implantation aktiveret ved ultrahøjtryksudglødning,” er publiceret i tidsskriftet Applied Physics Express. Papiret var medforfatter af Spyridon Pavlidis, en assisterende professor i elektro- og computerteknik ved NC State; Shashwat Rathkanthiwar, en postdoc-forsker ved NC State; Shane Stein, en ph.d. studerende ved NC State; Hayden Breckenridge, en tidligere ph.d. studerende ved NC State; Erhard Kohn, en forskningsassistent ved NC State og emeritus professor ved Ulm University i Tyskland; Zlatko Sitar, Kobe Steel Distinguished Professor of Materials Science and Engineering ved NC State og grundlæggeren af Adroit Materials; Will Mecouch, Seiji Mita, Baxter Moody, Pramod Reddy, James Tweedie og Ronny Kirste fra Adroit Materials; og Kacper Sierakowski, Grzegorz Kamler og Michał Boćkowski fra Institut for Højtryksfysik ved det polske videnskabsakademi.

Arbejdet blev primært støttet af ARPA-E som en del af dets PNDIODES-program under tilskud DE-AR0000873, DE-AR000149. Arbejdet modtog yderligere støtte fra National Science Foundation under tilskud ECCS-1916800, ECCS-1508854, ECCS-1610992, DMR-1508191 og ECCS-1653383; Office of Naval Research Global's Naval International Cooperative Opportunities in Science and Technology-program, under bevilling N62909-17-1-2004; og Polens nationale center for forskning og udvikling (NCBR) under bevilling TECHMATSTRATEG-III/0003/2019-00.

Original artikelkilde: WRAL TechWire