北卡罗来纳州立大学的研究人员创造了新的高功率电子产品——具有巨大的影响

2022年9月7日

工程研究人员发明了比以前的技术更节能的新型高功率电子设备。这些设备是通过 “掺杂”氮化镓的独特技术（GaN）以受控的方式。

“许多技术都需要电力转换——将电力从一种形式转换为另一种形式，”该论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学前博士生 Dolar Khachariya 说道。“例如，该技术可能需要将交流电转换为直流电，或将电能转换为功——就像电动机一样。在任何电力转换系统中，大多数电力损耗发生在电源开关处——它是构成电力转换系统的电路中的有源元件。

“开发更高效的电力电子设备（如电源开关）可以减少转换过程中的电量损失，”现任 Adroit Materials Inc. 研究员的 Khachariya 说道。“这对于开发支持更可持续电力基础设施（如智能电网）的技术尤为重要。”

电力转换影响交通运输等高科技行业

“我们的工作不仅意味着我们可以减少电力电子设备的能量损失，而且与传统的硅和碳化硅电子设备相比，我们还可以使电力转换系统更加紧凑，”该论文的合著者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程副教授 Ramón Collazo 说道。“这使得我们可以将这些系统整合到目前由于重量或尺寸限制而无法安装的技术中，例如汽车、船舶、飞机或分布在智能电网中的技术。”

在一个 2021 年发表的论文研究人员概述了一种使用离子注入和活化来掺杂 GaN 材料目标区域的技术。换句话说，他们将杂质设计到 GaN 材料的特定区域，以选择性地仅在这些区域中修改 GaN 的电性能。

工作原理如下

在他们的新论文中，研究人员展示了如何使用这项技术来制造实际的设备。具体来说，研究人员使用选择性掺杂的 GaN 材料来制造结势垒肖特基 (JBS) 二极管。

Collazo 表示：“电源整流器（例如 JBS 二极管）在每个电源系统中都用作开关。但从历史上看，它们都是由半导体硅或碳化硅制成的，因为未掺杂的 GaN 的电气特性与 JBS 二极管的架构不兼容。它根本行不通。

“我们已经证明，你可以选择性地掺杂 GaN 来制造功能性 JBS 二极管，而且这些二极管不仅具有功能性，而且比使用传统半导体的 JBS 二极管具有更高的功率效率转换。例如，从技术角度来看，我们在原生 GaN 衬底上制造的 GaN JBS 二极管具有创纪录的高击穿电压（915 V）和创纪录的低导通电阻。

Collazo 表示：“我们目前正在与行业合作伙伴合作，扩大选择性掺杂的 GaN 的生产，并正在寻求更多合作伙伴关系，以解决更广泛地制造和采用利用这种材料的功率设备的问题。”

电力转换影响交通运输等高科技行业

工作原理如下

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