Naukowcy z NCSU tworzą nową elektronikę dużej mocy – z ogromnymi implikacjami

wrzesień 7, 2022

Naukowcy zajmujący się inżynierią stworzyli nowe urządzenia elektroniczne dużej mocy, które są bardziej energooszczędne niż poprzednie technologie. Urządzenia są możliwe dzięki unikalna technika „domieszkowania” azotku galu (GaN) w kontrolowany sposób.

„Wiele technologii wymaga konwersji mocy – polegającej na przełączaniu mocy z jednego formatu na inny” – mówi Dolar Khachariya, pierwszy autor artykułu na temat tej pracy i były doktorant. student Uniwersytetu Stanowego Karoliny Północnej. „Na przykład technologia może wymagać konwersji prądu przemiennego na prąd stały lub energii elektrycznej na pracę – jak silnik elektryczny. W każdym systemie konwersji mocy większość strat mocy ma miejsce na wyłączniku zasilania, który jest aktywnym elementem obwodu elektrycznego tworzącego system konwersji mocy.

„Opracowanie bardziej wydajnych układów elektronicznych, takich jak przełączniki zasilania, zmniejsza ilość mocy traconej podczas procesu konwersji” – mówi Khachariya, który jest obecnie pracownikiem naukowym w Adroit Materials Inc. „Jest to szczególnie ważne w przypadku opracowywania technologii wspierających bardziej zrównoważone zasilanie infrastrukturę, taką jak inteligentne sieci.”

Konwersja energii wpływa na sektory zaawansowanych technologii, takie jak transport

„Nasza praca tutaj oznacza nie tylko, że możemy zmniejszyć straty energii w energoelektronice, ale możemy także sprawić, że systemy konwersji mocy będą bardziej kompaktowe w porównaniu z konwencjonalną elektroniką z krzemu i węglika krzemu”, mówi Ramón Collazo, współautor artykułu i profesor nadzwyczajny nauk o materiałach i inżynierii w NC State. „Umożliwia to włączenie tych systemów do technologii, w których obecnie nie pasują ze względu na ograniczenia dotyczące wagi lub rozmiaru, na przykład w samochodach, statkach, samolotach lub technologiach rozproszonych w inteligentnej sieci”.

W artykuł opublikowany w 2021 rokubadacze opracowali technikę wykorzystującą implantację i aktywację jonów w celu domieszkowania docelowych obszarów materiałów GaN. Innymi słowy, wprowadzili zanieczyszczenia w określone obszary materiałów GaN, aby selektywnie modyfikować właściwości elektryczne GaN tylko w tych obszarach.

Oto jak to działa

W swoim nowym artykule naukowcy pokazali, jak można wykorzystać tę technikę do tworzenia rzeczywistych urządzeń. W szczególności badacze wykorzystali selektywnie domieszkowane materiały GaN do stworzenia diod Schottky'ego z barierą połączeniową (JBS).

„Prostowniki mocy, takie jak diody JBS, są stosowane jako przełączniki w każdym systemie zasilania” – mówi Collazo. „Ale historycznie były one wykonane z półprzewodników z krzemu lub węglika krzemu, ponieważ właściwości elektryczne niedomieszkowanego GaN nie są kompatybilne z architekturą diod JBS. To po prostu nie działa.

„Wykazaliśmy, że można selektywnie domieszkować GaN, aby stworzyć funkcjonalne diody JBS i że diody te są nie tylko funkcjonalne, ale umożliwiają bardziej energooszczędną konwersję niż diody JBS wykorzystujące konwencjonalne półprzewodniki. Na przykład, z technicznego punktu widzenia, nasza dioda GaN JBS, wykonana na natywnym podłożu GaN, ma rekordowo wysokie napięcie przebicia (915 V) i rekordowo niską rezystancję włączenia.

„Obecnie współpracujemy z partnerami branżowymi nad zwiększeniem skali produkcji selektywnie domieszkowanego GaN i poszukujemy dodatkowych partnerów do pracy nad kwestiami związanymi z szerszą produkcją i przyjęciem urządzeń zasilających wykorzystujących ten materiał” – mówi Collazo.

Więcej o badaniach

Papier, "Pionowe diody Schottky'ego z barierą złączową GaN o niemal idealnej wydajności przy użyciu implantacji Mg aktywowanej przez wyżarzanie pod ultrawysokim ciśnieniem”, opublikowano w czasopiśmie Applied Physics Express. Współautorem artykułu jest Spyridon Pavlidis, adiunkt inżynierii elektrycznej i komputerowej w NC State; Shashwat Rathkanthiwar, badacz ze stopniem doktora w NC State; Shane Stein, doktorant student stanu NC; Hayden Breckenridge, były doktorant student stanu NC; Erhard Kohn, pracownik naukowy w NC State i emerytowany profesor Uniwersytetu w Ulm w Niemczech; Zlatko Sitar, Kobe Steel wybitny profesor nauk o materiałach i inżynierii na Uniwersytecie NC oraz założyciel Adroit Materials; Will Mecouch, Seiji Mita, Baxter Moody, Pramod Reddy, James Tweedie i Ronny Kirste z Adroit Materials; oraz Kacper Sierakowski, Grzegorz Kamler i Michał Boćkowski z Instytutu Wysokich Ciśnień PAN.

Prace były wspierane głównie przez ARPA-E w ramach programu PNDIODES w ramach dotacji DE-AR0000873, DE-AR000149. Praca otrzymała dodatkowe wsparcie National Science Foundation w ramach grantów ECCS-1916800, ECCS-1508854, ECCS-1610992, DMR-1508191 i ECCS-1653383; program międzynarodowych możliwości współpracy marynarki wojennej w nauce i technologii Office of Naval Research Global, w ramach grantu N62909-17-1-2004; oraz Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (NCBR) w ramach grantu TECHMATSTRATEG-III/0003/2019-00.

Oryginalne źródło artykułu: WRALTechWire