北卡羅來納州立大學研究人員創造了新的高功率電子產品——具有巨大的影響

2022 年 9 月 7 日

工程研究人員創造了比以前的技術更節能的新型高功率電子設備。這些設備是透過一個「摻雜」氮化鎵的獨特技術（GaN）以受控方式。

「許多技術都需要能量轉換，即能量從一種格式轉換為另一種格式，」該研究論文的第一作者、前博士生多拉爾·哈查里亞 (Dolar Khachariya) 說道。北卡羅來納州立大學的學生。「例如，該技術可能需要將交流電轉換為直流電，或將電能轉換為功——就像電動馬達一樣。在任何電源轉換系統中，大部分功率損耗都發生在電源開關處，電源開關是構成電源轉換系統的電路的主動組件。

「開發更有效率的電力電子裝置，如電源開關，可以減少轉換過程中的功率損耗，」Khachariya 說，他現在是Adroit Materials Inc. 的研究員。「這對於開發支援更永續電力的技術尤其重要。 ”基礎設施，例如智慧電網。”

電力轉換影響高科技產業，如交通

該論文的合著者 Ramón Collazo 表示：「我們在這裡的工作不僅意味著我們可以減少電力電子設備中的能量損耗，而且還可以使電力轉換系統比傳統的矽和碳化矽電子設備更加緊湊。」北卡羅來納州立大學材料科學與工程系副教授。 “這使得將這些系統整合到目前由於重量或尺寸限製而無法適應的技術中成為可能，例如汽車、船舶、飛機或分佈在智慧電網中的技術。”

在一個 2021年發表的論文研究人員概述了一種使用離子注入和活化來摻雜 GaN 材料中目標區域的技術。換句話說，他們將雜質設計到 GaN 材料的特定區域中，以便僅在這些區域選擇性地改變 GaN 的電性能。

這是它的工作原理

在他們的新論文中，研究人員展示瞭如何使用該技術來創建實際設備。具體來說，研究人員使用選擇性摻雜的 GaN 材料來製造結勢壘肖特基 (JBS) 二極體。

「JBS 二極體等電源整流器在每個電力系統中都用作開關，」Collazo 說。「但從歷史上看，它們是由半導體矽或碳化矽製成的，因為未摻雜的 GaN 的電性能與 JBS 二極體的架構不相容。它就是行不通。

「我們已經證明，您可以選擇性地摻雜 GaN 來創建功能性 JBS 二極體，而這些二極體不僅具有功能性，而且比使用傳統半導體的 JBS 二極體能夠實現更節能的轉換。例如，用技術術語來說，我們在原生 GaN 基板上製造的 GaN JBS 二極體具有創紀錄的高擊穿電壓 (915 V) 和創紀錄的低導通電阻。

Collazo 表示：“我們目前正在與行業合作夥伴合作，擴大選擇性摻雜 GaN 的生產規模，並正在尋找更多合作夥伴來解決與更廣泛製造和採用使用這種材料的功率器件相關的問題。”

有關研究的更多信息

該論文“採用超高壓退火活化的鎂注入，具有近乎理想性能的垂直 GaN 結勢壘肖特基二極體，”發表在《應用物理快報》雜誌。這篇論文的共同作者是北卡羅來納州立大學電機與電腦工程助理教授 Spyridon Pavlidis； Shashwat Rathkanthiwar，北卡羅來納州立大學博士後研究員；肖恩·斯坦，博士北卡羅來納州立大學的學生；海登·布雷肯里奇（Hayden Breckenridge），前博士。北卡羅來納州立大學的學生； Erhard Kohn，北卡羅來納州立大學助理研究員、德國烏爾姆大學榮譽教授； Zlatko Sitar，北卡羅來納州立大學材料科學與工程系神戶製鋼所特聘教授，Adroit Materials 創辦人； Adroit Materials 的 Will Mecouch、Seiji Mita、Baxter Moody、Pramod Reddy、James Tweedie 和 Ronny Kirste；以及波蘭科學院高壓物理研究所的 Kacper Sierakowski、Grzegorz Kamler 和 Michał Boćkowski。

這項工作主要由 ARPA-E 作為其 PNDIODES 計劃的一部分得到 DE-AR0000873、DE-AR000149 撥款的支持。這項工作得到了美國國家科學基金會的額外支持，撥款 ECCS-1916800、ECCS-1508854、ECCS-1610992、DMR-1508191 和 ECCS-1653383；全球海軍研究辦公室的海軍國際科技合作機會計劃，撥款 N62909-17-1-2004；和波蘭國家研究與發展中心 (NCBR)，獲得 TECHMATSTRATEG-III/0003/2019-00 資助。

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原文來源： WRAL 技術線