NCSU-onderzoekers creëren nieuwe krachtige elektronica – met enorme gevolgen

7 september 2022

Technische onderzoekers hebben nieuwe krachtige elektronische apparaten gemaakt die energiezuiniger zijn dan eerdere technologieën. De apparaten worden mogelijk gemaakt door a unieke techniek voor het “doteren” van galliumnitride (GaN) op een gecontroleerde manier.

“Veel technologieën vereisen stroomconversie – waarbij de stroom van het ene formaat naar het andere wordt overgeschakeld”, zegt Dolar Khachariya, de eerste auteur van een artikel over het werk en voormalig Ph.D. student aan de North Carolina State University. “De technologie moet bijvoorbeeld wisselstroom naar gelijkstroom kunnen omzetten, of elektriciteit omzetten in werk, zoals een elektromotor. En bij elk stroomconversiesysteem vindt het meeste stroomverlies plaats bij de aan/uit-schakelaar – een actief onderdeel van het elektrische circuit dat het stroomconversiesysteem vormt.

“Het ontwikkelen van efficiëntere vermogenselektronica zoals stroomschakelaars vermindert de hoeveelheid energie die verloren gaat tijdens het conversieproces”, zegt Khachariya, die nu onderzoeker is bij Adroit Materials Inc. “Dit is vooral belangrijk voor het ontwikkelen van technologieën ter ondersteuning van een duurzamere stroomvoorziening. infrastructuur, zoals slimme netwerken.”

Energieconversie heeft gevolgen voor hightechsectoren, zoals het openbaar vervoer

“Ons werk hier betekent niet alleen dat we het energieverlies in vermogenselektronica kunnen verminderen, maar we kunnen ook de systemen voor stroomconversie compacter maken in vergelijking met conventionele silicium- en siliciumcarbide-elektronica”, zegt Ramón Collazo, co-auteur van het artikel en een universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek bij NC State. “Dit maakt het mogelijk om deze systemen te integreren in technologieën waar ze momenteel niet passen vanwege gewichts- of groottebeperkingen, zoals in auto’s, schepen, vliegtuigen of technologieën die via een slim netwerk worden gedistribueerd.”

In een artikel gepubliceerd in 2021schetsten de onderzoekers een techniek die gebruik maakt van ionenimplantatie en -activering om gerichte gebieden in GaN-materialen te doteren. Met andere woorden, ze hebben onzuiverheden in specifieke gebieden op GaN-materialen aangebracht om de elektrische eigenschappen van het GaN alleen in die gebieden selectief te wijzigen.

Dit is hoe het werkt

In hun nieuwe artikel hebben de onderzoekers aangetoond hoe deze techniek kan worden gebruikt om echte apparaten te maken. Concreet gebruikten de onderzoekers selectief gedoteerde GaN-materialen om Junction Barrier Schottky (JBS) -diodes te creëren.

“Vermogensgelijkrichters, zoals JBS-diodes, worden in elk energiesysteem als schakelaar gebruikt”, zegt Collazo. “Maar historisch gezien zijn ze gemaakt van de halfgeleiders silicium of siliciumcarbide, omdat de elektrische eigenschappen van ongedoteerd GaN niet compatibel zijn met de architectuur van JBS-diodes. Het werkt gewoon niet.

“We hebben aangetoond dat je GaN selectief kunt doteren om functionele JBS-diodes te creëren, en dat deze diodes niet alleen functioneel zijn, maar ook een energiezuinigere conversie mogelijk maken dan JBS-diodes die conventionele halfgeleiders gebruiken. In technische termen heeft onze GaN JBS-diode, vervaardigd op een natuurlijk GaN-substraat, bijvoorbeeld een recordhoge doorslagspanning (915 V) en een recordlage aan-weerstand.

"We werken momenteel samen met industriële partners om de productie van selectief gedoteerde GaN op te schalen, en zijn op zoek naar aanvullende partnerschappen om te werken aan kwesties die verband houden met de wijdverspreide productie en adoptie van elektrische apparaten die gebruik maken van dit materiaal", zegt Collazo.

Meer over het onderzoek

De krant, "Verticale GaN-verbindingsbarrière Schottky-diodes met bijna ideale prestaties met behulp van Mg-implantatie, geactiveerd door gloeien onder ultrahoge druk”, is gepubliceerd in het tijdschrift Applied Physics Express. Het artikel is co-auteur van Spyridon Pavlidis, een assistent-professor elektrische en computertechniek bij NC State; Shashwat Rathkanthiwar, een postdoctoraal onderzoeker bij NC State; Shane Stein, een Ph.D. student aan NC State; Hayden Breckenridge, een voormalig Ph.D. student aan NC State; Erhard Kohn, onderzoeksmedewerker bij NC State en emeritus hoogleraar aan de Universiteit van Ulm in Duitsland; Zlatko Sitar, Kobe Steel Distinguished Professor of Materials Science and Engineering bij NC State en de oprichter van Adroit Materials; Will Mecouch, Seiji Mita, Baxter Moody, Pramod Reddy, James Tweedie en Ronny Kirste van Adroit Materials; en Kacper Sierakowski, Grzegorz Kamler en Michał Boćkowski van het Instituut voor Hogedrukfysica aan de Poolse Academie van Wetenschappen.

Het werk werd voornamelijk ondersteund door ARPA-E als onderdeel van zijn PNDIODES-programma, onder subsidies DE-AR0000873, DE-AR000149. Het werk kreeg aanvullende steun van de National Science Foundation, onder subsidies ECCS-1916800, ECCS-1508854, ECCS-1610992, DMR-1508191 en ECCS-1653383; het Naval International Cooperative Opportunities in Science and Technology-programma van het Office of Naval Research Global, onder subsidie N62909-17-1-2004; en het Poolse Nationale Centrum voor Onderzoek en Ontwikkeling (NCBR) onder subsidie TECHMATSTRATEG-III/0003/2019-00.

Originele artikelbron: WRAL TechWire