Forskere demonstrerer nye, mere energieffektive enheder ved hjælp af galliumnitrid

Ingeniørforskere har skabt nye højeffekt elektroniske enheder, der er mere energieffektive end tidligere teknologier. Apparaterne 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 elektrisk motor. Og i ethvert strømkonverteringssystem finder det meste strømtab sted ved strømafbryderen - som er en aktiv komponent i det elektriske kredsløb, der laver strømkonverteringssystemet."

"At udvikle mere effektiv strømelektronik som 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."

"Vores arbejde her betyder ikke kun, at vi kan reducere energitabet i kraftelektronik, men vi kan også gøre systemerne til strømkonvertering 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 et papir offentliggjort i Applied Physics Letters 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 områder.

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 kontakter i ethvert strømsystem," siger Collazo. "Men historisk set er de lavet af halvlederne silicium eller siliciumcarbid, fordi de elektriske egenskaber af 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, vores GaN JBS diode, fremstillet på et naturligt GaN-substrat, har 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.

Artiklen, "Vertical GaN Junction Barrier Schottky Diodes with Near-ideal Performance using Mg Implantation Activated by Ultra-High-Pressure Annealing," er offentliggjort i tidsskriftet Applied Physics Express . + Udforsk yderligere

Nye verdensrekorder for perovskit-på-silicium-tandem solceller