NCSU-Forscher entwickeln neue Hochleistungselektronik – mit enormen Auswirkungen

Ingenieurforscher haben neue leistungsstarke elektronische Geräte entwickelt, die energieeffizienter sind als frühere Technologien. Die Geräte werden ermöglicht durch a einzigartige Technik zur „Dotierung“ von Galliumnitrid (GaN) auf kontrollierte Weise.

„Viele Technologien erfordern eine Energieumwandlung – bei der Energie von einem Format in ein anderes umgeschaltet wird“, sagt Dolar Khachariya, der Erstautor einer Arbeit über die Arbeit und ehemalige Doktorandin. Student an der North Carolina State University. „Zum Beispiel muss die Technologie möglicherweise Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln oder Elektrizität in Arbeit umwandeln – wie ein Elektromotor.“ Und in jedem Stromumwandlungssystem entsteht der größte Leistungsverlust am Netzschalter – einem aktiven Bestandteil des Stromkreises, aus dem das Stromwandlungssystem besteht.

„Die Entwicklung effizienterer Leistungselektronik wie Leistungsschalter reduziert den Leistungsverlust während des Umwandlungsprozesses“, sagt Khachariya, der heute Forscher bei Adroit Materials Inc. ist. „Dies ist besonders wichtig für die Entwicklung von Technologien zur Unterstützung einer nachhaltigeren Energieversorgung.“ Infrastruktur wie Smart Grids.“

Die Energieumwandlung wirkt sich auf High-Tech-Sektoren wie den Nahverkehr aus

„Unsere Arbeit hier bedeutet nicht nur, dass wir den Energieverlust in der Leistungselektronik reduzieren können, sondern wir können auch die Systeme zur Leistungsumwandlung im Vergleich zu herkömmlicher Silizium- und Siliziumkarbid-Elektronik kompakter machen“, sagt Ramón Collazo, Co-Autor des Papiers und ein außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der NC State. „Dadurch ist es möglich, diese Systeme in Technologien zu integrieren, wo sie derzeit aufgrund von Gewichts- oder Größenbeschränkungen nicht hineinpassen, etwa in Autos, Schiffen, Flugzeugen oder in Technologien, die über ein Smart Grid verteilt sind.“

In einem Papier veröffentlicht im Jahr 2021, skizzierten die Forscher eine Technik, die Ionenimplantation und -aktivierung nutzt, um gezielte Bereiche in GaN-Materialien zu dotieren. Mit anderen Worten: Sie brachten Verunreinigungen in bestimmte Bereiche von GaN-Materialien ein, um die elektrischen Eigenschaften des GaN nur in diesen Bereichen selektiv zu verändern.

So funktioniert das

In ihrer neuen Arbeit haben die Forscher gezeigt, wie diese Technik zur Herstellung tatsächlicher Geräte genutzt werden kann. Konkret verwendeten die Forscher selektiv dotierte GaN-Materialien, um JBS-Dioden (Junction Barrier Schottky) herzustellen.

„Leistungsgleichrichter wie JBS-Dioden werden in jedem Stromnetz als Schalter verwendet“, sagt Collazo. „Aber in der Vergangenheit wurden sie aus den Halbleitern Silizium oder Siliziumkarbid hergestellt, da die elektrischen Eigenschaften von undotiertem GaN nicht mit der Architektur von JBS-Dioden kompatibel sind. Es funktioniert einfach nicht.

„Wir haben gezeigt, dass man GaN selektiv dotieren kann, um funktionale JBS-Dioden zu schaffen, und dass diese Dioden nicht nur funktionsfähig sind, sondern auch eine energieeffizientere Umwandlung ermöglichen als JBS-Dioden, die herkömmliche Halbleiter verwenden. Technisch gesehen hat beispielsweise unsere GaN-JBS-Diode, die auf einem nativen GaN-Substrat hergestellt wird, eine rekordverdächtig hohe Durchbruchspannung (915 V) und einen rekordverdächtig niedrigen Einschaltwiderstand.

„Wir arbeiten derzeit mit Industriepartnern zusammen, um die Produktion von selektiv dotiertem GaN zu steigern, und suchen nach weiteren Partnerschaften, um an Problemen im Zusammenhang mit einer umfassenderen Herstellung und Einführung von Leistungsgeräten zu arbeiten, die dieses Material nutzen“, sagt Collazo.

Mehr zur Forschung

Das Papier, "Vertikale GaN-Übergangsbarriere-Schottky-Dioden mit nahezu idealer Leistung durch Mg-Implantation, aktiviert durch Ultrahochdruckglühen„, ist in der Fachzeitschrift Applied Physics Express veröffentlicht. Der Artikel wurde von Spyridon Pavlidis, einem Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik an der NC State, mitverfasst; Shashwat Rathkanthiwar, Postdoktorand an der NC State; Shane Stein, ein Ph.D. Student an der NC State; Hayden Breckenridge, ein ehemaliger Ph.D. Student an der NC State; Erhard Kohn, wissenschaftlicher Mitarbeiter am NC State und emeritierter Professor der Universität Ulm in Deutschland; Zlatko Sitar, Kobe Steel Distinguished Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der NC State und Gründer von Adroit Materials; Will Mecouch, Seiji Mita, Baxter Moody, Pramod Reddy, James Tweedie und Ronny Kirste von Adroit Materials; und Kacper Sierakowski, Grzegorz Kamler und Michał Boćkowski vom Institut für Hochdruckphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften.

Die Arbeit wurde hauptsächlich von ARPA-E im Rahmen seines PNDIODES-Programms mit den Zuschüssen DE-AR0000873 und DE-AR000149 unterstützt. Die Arbeit erhielt zusätzliche Unterstützung von der National Science Foundation im Rahmen der Zuschüsse ECCS-1916800, ECCS-1508854, ECCS-1610992, DMR-1508191 und ECCS-1653383; das Naval International Cooperative Opportunities in Science and Technology-Programm des Office of Naval Research Global, im Rahmen der Bewilligung N62909-17-1-2004; und Polens Nationales Zentrum für Forschung und Entwicklung (NCBR) im Rahmen der Förderung TECHMATSTRATEG-III/0003/2019-00.

©North Carolina State University

Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire