Investigadores del NCSU crean nuevos dispositivos electrónicos de alta potencia, con enormes implicaciones

Los investigadores de ingeniería han creado nuevos dispositivos electrónicos de alta potencia que son más eficientes energéticamente que las tecnologías anteriores. Los dispositivos son posibles gracias a un técnica única para “dopar” nitruro de galio (GaN) de forma controlada.

"Muchas tecnologías requieren conversión de energía, donde la energía se cambia de un formato a otro", dice Dolar Khachariya, primer autor de un artículo sobre el trabajo y ex doctor. estudiante de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. “Por ejemplo, es posible que la tecnología necesite convertir CA en CC, o convertir la electricidad en trabajo, como un motor eléctrico. Y en cualquier sistema de conversión de energía, la mayor parte de la pérdida de energía tiene lugar en el interruptor de encendido, que es un componente activo del circuito eléctrico que forma el sistema de conversión de energía.

"El desarrollo de componentes electrónicos de potencia más eficientes, como interruptores de potencia, reduce la cantidad de energía perdida durante el proceso de conversión", dice Khachariya, quien ahora es investigador en Adroit Materials Inc. "Esto es particularmente importante para el desarrollo de tecnologías que respalden una energía más sostenible". infraestructura, como las redes inteligentes”.

La conversión de energía afecta a los sectores de alta tecnología, como el transporte

“Nuestro trabajo aquí no sólo significa que podemos reducir la pérdida de energía en la electrónica de potencia, sino que también podemos hacer que los sistemas de conversión de energía sean más compactos en comparación con la electrónica convencional de silicio y carburo de silicio”, afirma Ramón Collazo, coautor del artículo y profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en NC State. "Esto hace posible incorporar estos sistemas en tecnologías donde actualmente no encajan debido a restricciones de peso o tamaño, como en automóviles, barcos, aviones o tecnologías distribuidas a través de una red inteligente".

en un artículo publicado en 2021, los investigadores describieron una técnica que utiliza la implantación y activación de iones para dopar áreas específicas en materiales de GaN. En otras palabras, diseñaron impurezas en regiones específicas de materiales de GaN para modificar selectivamente las propiedades eléctricas del GaN solo en esas regiones.

Así es como funciona

En su nuevo artículo, los investigadores han demostrado cómo se puede utilizar esta técnica para crear dispositivos reales. Específicamente, los investigadores utilizaron materiales de GaN dopados selectivamente para crear diodos Junction Barrier Schottky (JBS).

"Los rectificadores de potencia, como los diodos JBS, se utilizan como interruptores en todos los sistemas de energía", dice Collazo. “Pero históricamente se han fabricado con semiconductores de silicio o carburo de silicio, porque las propiedades eléctricas del GaN sin dopar no son compatibles con la arquitectura de los diodos JBS. Simplemente no funciona.

“Hemos demostrado que se puede dopar selectivamente GaN para crear diodos JBS funcionales, y que estos diodos no sólo son funcionales, sino que permiten una conversión energéticamente más eficiente que los diodos JBS que utilizan semiconductores convencionales. Por ejemplo, en términos técnicos, nuestro diodo GaN JBS, fabricado sobre un sustrato de GaN nativo, tiene un voltaje de ruptura récord (915 V) y una resistencia de encendido récord.

"Actualmente estamos trabajando con socios de la industria para aumentar la producción de GaN dopado selectivamente y estamos buscando asociaciones adicionales para trabajar en cuestiones relacionadas con una fabricación y adopción más generalizada de dispositivos de energía que utilizan este material", dice Collazo.

Más sobre la investigación

El papel, "Diodos Schottky de barrera de unión vertical de GaN con rendimiento casi ideal mediante implantación de Mg activada por recocido a presión ultraalta”, se publica en la revista Applied Physics Express. El artículo fue coautor de Spyridon Pavlidis, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en NC State; Shashwat Rathkanthiwar, investigador postdoctoral de NC State; Shane Stein, Ph.D. estudiante de NC State; Hayden Breckenridge, ex Ph.D. estudiante de NC State; Erhard Kohn, investigador asociado de NC State y profesor emérito de la Universidad de Ulm en Alemania; Zlatko Sitar, profesor distinguido de ciencia e ingeniería de materiales de Kobe Steel en NC State y fundador de Adroit Materials; Will Mecouch, Seiji Mita, Baxter Moody, Pramod Reddy, James Tweedie y Ronny Kirste de Adroit Materials; y Kacper Sierakowski, Grzegorz Kamler y Michał Boćkowski del Instituto de Física de Alta Presión de la Academia Polaca de Ciencias.

El trabajo fue apoyado principalmente por ARPA-E como parte de su programa PNDIODES, bajo las subvenciones DE-AR0000873, DE-AR000149. El trabajo recibió apoyo adicional de la Fundación Nacional de Ciencias, bajo las subvenciones ECCS-1916800, ECCS-1508854, ECCS-1610992, DMR-1508191 y ECCS-1653383; el programa de Oportunidades Cooperativas Internacionales Navales en Ciencia y Tecnología de la Oficina de Investigación Naval Global, bajo la subvención N62909-17-1-2004; y el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo (NCBR) de Polonia con la subvención TECHMATSTRATEG-III/0003/2019-00.

©Universidad Estatal de Carolina del Norte

Fuente del artículo original: WRAL TechWire