Les chercheurs du NCSU créent une nouvelle électronique de haute puissance – avec d'énormes implications

7 septembre 2022

Les chercheurs en ingénierie ont créé de nouveaux appareils électroniques haute puissance plus économes en énergie que les technologies précédentes. Les appareils sont rendus possibles par un technique unique de « dopage » du nitrure de gallium (GaN) de manière contrôlée.

"De nombreuses technologies nécessitent une conversion de puissance, où l'alimentation est commutée d'un format à un autre", explique Dolar Khachariya, premier auteur d'un article sur le travail et ancien doctorant. étudiant à l'Université d'État de Caroline du Nord. « Par exemple, la technologie pourrait devoir convertir le courant alternatif en courant continu, ou convertir l’électricité en travail – comme un moteur électrique. Et dans tout système de conversion de puissance, la plupart des pertes de puissance ont lieu au niveau de l’interrupteur d’alimentation, qui est un composant actif du circuit électrique qui constitue le système de conversion de puissance.

"Le développement d'une électronique de puissance plus efficace, comme les interrupteurs de puissance, réduit la quantité d'énergie perdue pendant le processus de conversion", explique Khachariya, qui est maintenant chercheur chez Adroit Materials Inc. "Cela est particulièrement important pour développer des technologies visant à soutenir une énergie plus durable. infrastructures, telles que les réseaux intelligents.

La conversion d'énergie a un impact sur les secteurs de haute technologie, comme les transports en commun

"Notre travail signifie non seulement que nous pouvons réduire les pertes d'énergie dans l'électronique de puissance, mais nous pouvons également rendre les systèmes de conversion de puissance plus compacts par rapport à l'électronique conventionnelle au silicium et au carbure de silicium", explique Ramón Collazo, co-auteur de l'article et professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à NC State. "Cela permet d'incorporer ces systèmes dans des technologies où ils ne conviennent pas actuellement en raison de restrictions de poids ou de taille, comme dans les automobiles, les navires, les avions ou les technologies distribuées sur un réseau intelligent."

Dans un article publié en 2021, les chercheurs ont présenté une technique qui utilise l'implantation et l'activation d'ions pour doper les zones ciblées dans les matériaux GaN. En d’autres termes, ils ont introduit des impuretés dans des régions spécifiques des matériaux GaN afin de modifier sélectivement les propriétés électriques du GaN uniquement dans ces régions.

Voici comment cela fonctionne

Dans leur nouvel article, les chercheurs ont démontré comment cette technique peut être utilisée pour créer de véritables dispositifs. Plus précisément, les chercheurs ont utilisé des matériaux GaN dopés sélectivement pour créer des diodes Schottky à barrière de jonction (JBS).

"Les redresseurs de puissance, tels que les diodes JBS, sont utilisés comme interrupteurs dans chaque système électrique", explique Collazo. «Mais historiquement, ils ont été constitués de semi-conducteurs en silicium ou en carbure de silicium, car les propriétés électriques du GaN non dopé ne sont pas compatibles avec l'architecture des diodes JBS. Cela ne fonctionne tout simplement pas.

« Nous avons démontré qu'il est possible de doper sélectivement du GaN pour créer des diodes JBS fonctionnelles, et que ces diodes sont non seulement fonctionnelles, mais permettent une conversion plus économe en énergie que les diodes JBS qui utilisent des semi-conducteurs conventionnels. Par exemple, en termes techniques, notre diode GaN JBS, fabriquée sur un substrat GaN natif, présente une tension de claquage record (915 V) et une faible résistance à l'état passant.

"Nous travaillons actuellement avec des partenaires industriels pour augmenter la production de GaN dopé sélectivement et recherchons des partenariats supplémentaires pour travailler sur les problèmes liés à une fabrication plus répandue et à l'adoption de dispositifs électriques utilisant ce matériau", a déclaré Collazo.

En savoir plus sur la recherche

Le papier, "Diodes Schottky à barrière de jonction GaN verticale avec des performances presque idéales utilisant une implantation de magnésium activée par un recuit à ultra haute pression», est publié dans la revue Applied Physics Express. L'article a été co-écrit par Spyridon Pavlidis, professeur adjoint de génie électrique et informatique à NC State ; Shashwat Rathkanthiwar, chercheur postdoctoral à NC State ; Shane Stein, titulaire d'un doctorat. étudiant à NC State; Hayden Breckenridge, ancien doctorant. étudiant à NC State; Erhard Kohn, chercheur associé à NC State et professeur émérite de l'Université d'Ulm en Allemagne ; Zlatko Sitar, professeur émérite de Kobe Steel de science et d'ingénierie des matériaux à NC State et fondateur d'Adroit Materials ; Will Mecouch, Seiji Mita, Baxter Moody, Pramod Reddy, James Tweedie et Ronny Kirste d'Adroit Materials ; et Kacper Sierakowski, Grzegorz Kamler et Michał Boćkowski de l'Institut de physique des hautes pressions de l'Académie polonaise des sciences.

Les travaux ont été soutenus principalement par l'ARPA-E dans le cadre de son programme PNDIODES, au titre des subventions DE-AR0000873, DE-AR000149. Le travail a reçu un soutien supplémentaire de la National Science Foundation, dans le cadre des subventions ECCS-1916800, ECCS-1508854, ECCS-1610992, DMR-1508191 et ECCS-1653383 ; le programme Naval International Cooperative Opportunities in Science and Technology de l'Office of Naval Research Global, grâce à la subvention N62909-17-1-2004 ; et le Centre national polonais de recherche et de développement (NCBR) grâce à la subvention TECHMATSTRATEG-III/0003/2019-00.

Source originale de l’article : WRAL TechWire