Ingenjörsforskare har skapat nya högeffekts elektroniska enheter som är mer energieffektiva än tidigare tekniker. Enheterna möjliggörs av en unik teknik för att "dopa" galliumnitrid (GaN) på ett kontrollerat sätt.

"Många tekniker kräver kraftomvandling - där strömmen växlas från ett format till ett annat", säger Dolar Khachariya, den första författaren till en artikel om arbetet och en före detta doktorand. student vid North Carolina State University. "Tekniken kan till exempel behöva omvandla AC till DC, eller omvandla elektricitet till arbete - som en elmotor. Och i alla kraftomvandlingssystem sker det mesta strömförlusten vid strömbrytaren - som är en aktiv komponent i det elektriska krets som gör kraftomvandlingssystemet."

"Att utveckla mer effektiv kraftelektronik som strömbrytare minskar mängden ström som går förlorad under omvandlingsprocessen", säger Khachariya, som nu är forskare vid Adroit Materials Inc. "Detta är särskilt viktigt för att utveckla teknologier för att stödja en mer hållbar kraft infrastruktur, såsom smarta nät."

"Vårt arbete här innebär inte bara att vi kan minska energiförlusten i kraftelektronik, utan vi kan också göra systemen för kraftomvandling mer kompakta jämfört med konventionell kisel- och kiselkarbidelektronik", säger Ramón Collazo, medförfattare till tidningen och en docent i materialvetenskap och teknik vid NC State. "Detta gör det möjligt att införliva dessa system i teknologier där de för närvarande inte passar på grund av vikt- eller storleksbegränsningar, till exempel i bilar, fartyg, flygplan eller tekniker distribuerade över ett smart nät."

I en artikel publicerad i Applied Physics Letters 2021 beskrev forskarna en teknik som använder jonimplantation och aktivering för att dopa målområden i GaN-material. Med andra ord, de konstruerade föroreningar i specifika områden på GaN-material för att selektivt modifiera de elektriska egenskaperna hos GaN endast i dessa regioner.

I sin nya uppsats har forskarna visat hur denna teknik kan användas för att skapa verkliga enheter. Specifikt använde forskarna selektivt dopade GaN-material för att skapa Junction Barrier Schottky (JBS) dioder.

"Strömlikriktare, som JBS-dioder, används som omkopplare i alla kraftsystem", säger Collazo. "Men historiskt har de tillverkats av halvledarna kisel eller kiselkarbid, eftersom de elektriska egenskaperna hos odopade GaN inte är kompatibla med arkitekturen hos JBS-dioder. Det fungerar helt enkelt inte."

"Vi har visat att man selektivt kan dopa GaN för att skapa funktionella JBS-dioder, och att dessa dioder inte bara är funktionella, utan möjliggör mer energieffektiv konvertering än JBS-dioder som använder konventionella halvledare. Till exempel i tekniska termer, vår GaN JBS diod, tillverkad på ett naturligt GaN-substrat, har rekordhög genombrottsspänning (915 V) och rekordlågt på-motstånd."

"Vi arbetar för närvarande med industripartners för att skala upp produktionen av selektivt dopad GaN och letar efter ytterligare partnerskap för att arbeta med frågor som rör mer utbredd tillverkning och användning av kraftenheter som använder detta material", säger Collazo.

Artikeln, "Vertical GaN Junction Barrier Schottky Diodes with Near-ideal Performance using Mg Implantation Activated by Ultra-High-Pressure Annealing," publiceras i tidskriften Applied Physics Express . + Utforska vidare

Nya världsrekord för perovskite-på-kisel-tandem solceller