I ricercatori della NCSU creano nuova elettronica ad alta potenza, con enormi implicazioni

I ricercatori di ingegneria hanno creato nuovi dispositivi elettronici ad alta potenza che sono più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle tecnologie precedenti. I dispositivi sono resi possibili da a tecnica unica per il “doping” del nitruro di gallio (GaN) in modo controllato.

"Molte tecnologie richiedono la conversione di energia, ovvero la commutazione dell'energia da un formato all'altro", afferma Dolar Khachariya, il primo autore di un articolo sul lavoro ed ex dottorato di ricerca. studente presso la North Carolina State University. “Ad esempio, la tecnologia potrebbe dover convertire la corrente alternata in corrente continua o convertire l’elettricità in lavoro, come un motore elettrico. E in qualsiasi sistema di conversione di potenza, la maggior parte della perdita di potenza avviene presso l'interruttore di alimentazione, che è un componente attivo del circuito elettrico che costituisce il sistema di conversione di potenza.

“Lo sviluppo di dispositivi elettronici di potenza più efficienti come gli interruttori di potenza riduce la quantità di energia persa durante il processo di conversione”, afferma Khachariya, che ora è ricercatore presso Adroit Materials Inc. “Ciò è particolarmente importante per lo sviluppo di tecnologie a supporto di un’energia più sostenibile”. infrastrutture, come le reti intelligenti”.

La conversione dell’energia ha un impatto sui settori ad alta tecnologia, come i trasporti

"Il nostro lavoro qui non significa solo che possiamo ridurre la perdita di energia nell'elettronica di potenza, ma possiamo anche rendere i sistemi per la conversione di potenza più compatti rispetto ai tradizionali dispositivi elettronici al silicio e al carburo di silicio", afferma Ramón Collazo, coautore dell'articolo e un professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso la NC State. “Ciò rende possibile incorporare questi sistemi in tecnologie in cui attualmente non si adattano a causa di restrizioni di peso o dimensioni, come nelle automobili, nelle navi, negli aeroplani o nelle tecnologie distribuite attraverso una rete intelligente”.

In un articolo pubblicato nel 2021, i ricercatori hanno delineato una tecnica che utilizza l'impianto e l'attivazione ionica per drogare aree mirate nei materiali GaN. In altre parole, hanno progettato impurità in regioni specifiche sui materiali GaN per modificare selettivamente le proprietà elettriche del GaN solo in quelle regioni.

Ecco come funziona

Nel loro nuovo articolo, i ricercatori hanno dimostrato come questa tecnica possa essere utilizzata per creare dispositivi reali. Nello specifico, i ricercatori hanno utilizzato materiali GaN drogati selettivamente per creare diodi Junction Barrier Schottky (JBS).

"I raddrizzatori di potenza, come i diodi JBS, vengono utilizzati come interruttori in ogni sistema di alimentazione", afferma Collazo. “Ma storicamente sono stati realizzati con semiconduttori al silicio o al carburo di silicio, perché le proprietà elettriche del GaN non drogato non sono compatibili con l'architettura dei diodi JBS. Semplicemente non funziona.

“Abbiamo dimostrato che è possibile drogare selettivamente il GaN per creare diodi JBS funzionali e che questi diodi non solo sono funzionali, ma consentono una conversione più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai diodi JBS che utilizzano semiconduttori convenzionali. Ad esempio, in termini tecnici, il nostro diodo GaN JBS, fabbricato su un substrato GaN nativo, ha una tensione di rottura record (915 V) e una resistenza in conduzione bassa.

"Attualmente stiamo lavorando con partner del settore per aumentare la produzione di GaN drogato selettivamente e stiamo cercando ulteriori partnership per lavorare su questioni relative a una produzione più diffusa e all'adozione di dispositivi di potenza che fanno uso di questo materiale", afferma Collazo.

Maggiori informazioni sulla ricerca

La carta, "Diodi Schottky a barriera di giunzione verticale GaN con prestazioni quasi ideali utilizzando l'impianto di Mg attivato mediante ricottura ad altissima pressione”, è pubblicato sulla rivista Applied Physics Express. L'articolo è stato scritto da Spyridon Pavlidis, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica presso la NC State; Shashwat Rathkanthiwar, ricercatore post-dottorato presso NC State; Shane Stein, un dottorato di ricerca. studente presso NC State; Hayden Breckenridge, ex dottorato di ricerca. studente presso NC State; Erhard Kohn, ricercatore associato presso NC State e professore emerito dell'Università di Ulm in Germania; Zlatko Sitar, illustre professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la NC State e fondatore di Adroit Materials; Will Mecouch, Seiji Mita, Baxter Moody, Pramod Reddy, James Tweedie e Ronny Kirste di Adroit Materials; e Kacper Sierakowski, Grzegorz Kamler e Michał Boćkowski dell'Istituto di fisica dell'alta pressione presso l'Accademia polacca delle scienze.

Il lavoro è stato sostenuto principalmente da ARPA-E come parte del suo programma PNDIODES, con sovvenzioni DE-AR0000873, DE-AR000149. Il lavoro ha ricevuto ulteriore sostegno dalla National Science Foundation, nell'ambito delle sovvenzioni ECCS-1916800, ECCS-1508854, ECCS-1610992, DMR-1508191 e ECCS-1653383; il programma Naval International Cooperative Opportunities in Science and Technology dell'Office of Naval Research Global, con la sovvenzione N62909-17-1-2004; e il Centro nazionale polacco per la ricerca e lo sviluppo (NCBR) con la sovvenzione TECHMATSTRATEG-III/0003/2019-00.

©Università statale della Carolina del Nord

Fonte articolo originale: WRAL TechWire