Technische onderzoekers hebben nieuwe krachtige elektronische apparaten gemaakt die energiezuiniger zijn dan eerdere technologieën. De apparaten worden mogelijk gemaakt door een unieke techniek om galliumnitride (GaN) op een gecontroleerde manier te “dopen”.
“Veel technologieën vereisen stroomconversie – waarbij de stroom van het ene formaat naar het andere wordt overgeschakeld”, zegt Dolar Khachariya, de eerste auteur van een paper over het werk en een voormalig Ph.D. student aan de North Carolina State University. “De technologie moet bijvoorbeeld wisselstroom naar gelijkstroom omzetten of elektriciteit omzetten in werk – zoals een elektromotor. En in elk stroomconversiesysteem vindt het meeste stroomverlies plaats bij de aan / uit-schakelaar – die een actief onderdeel is van het elektrische circuit dat het stroomconversiesysteem maakt.
“Het ontwikkelen van efficiëntere vermogenselektronica zoals stroomschakelaars vermindert de hoeveelheid stroom 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 energievoorziening. infrastructuur, zoals smart grids.”
“Ons werk hier betekent niet alleen dat we energieverlies in vermogenselektronica kunnen verminderen, maar we kunnen de systemen voor stroomconversie ook compacter maken in vergelijking met conventionele silicium- en siliciumcarbide-elektronica”, zegt Ramón Collazo, co-auteur van het artikel en een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering bij NC State. “Dit maakt het mogelijk om deze systemen op te nemen in technologieën waar ze momenteel niet passen vanwege gewichts- of groottebeperkingen, zoals in auto’s, schepen, vliegtuigen of technologieën die verspreid zijn over een smart grid.”
In een paper dat in 2021 werd gepubliceerd, schetsten de onderzoekers een techniek die ionenimplantatie en -activering gebruikt om gerichte gebieden in GaN-materialen te dopen. Met andere woorden, ze hebben onzuiverheden in specifieke regio’s op GaN-materialen gemanipuleerd om de elektrische eigenschappen van het GaN alleen in die regio’s selectief te wijzigen.
In hun nieuwe paper hebben de onderzoekers aangetoond hoe deze techniek kan worden gebruikt om echte apparaten te maken. In het bijzonder gebruikten de onderzoekers selectief gedoteerde GaN-materialen om Junction Barrier Schottky (JBS) diodes te creëren.
“Stroomgelijkrichters, zoals JBS-diodes, worden gebruikt als schakelaars in elk voedingssysteem”, 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 maken, en dat deze diodes niet alleen functioneel zijn, maar een meer energie-efficiënte conversie mogelijk maken dan JBS-diodes die conventionele halfgeleiders gebruiken. In technische termen bijvoorbeeld, onze GaN JBS diode, vervaardigd op een natuurlijk GaN-substraat, heeft een recordhoge doorslagspanning (915 V) en een record lage 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 problemen met betrekking tot de meer wijdverbreide productie en acceptatie van stroomapparaten die gebruik maken van dit materiaal”, zegt Collazo.
Het artikel, “Vertical GaN Junction Barrier Schottky Diodes with Near-ideal Performance using Mg Implantation Activated by Ultra-High-Pressure Annealing”, is gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Express. Het artikel was co-auteur van Spyridon Pavlidis, een assistent-professor in elektrische en computertechniek bij NC State; Shashwat Rathkanthiwar, een postdoctoraal onderzoeker bij NC State; Shane Stein, een Ph.D. student bij NC State; Hayden Breckenridge, een voormalig Ph.D. student bij 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 het PNDIODES-programma, onder subsidies DE-AR0000873, DE-AR000149. Het werk kreeg extra 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.
