Sandia National Laboratories forskare har visat att det är möjligt att tillverka transistorer och dioder av avancerade halvledarmaterial som skulle kunna prestera mycket bättre än kisel, arbetshästen i den moderna elektronikvärlden.

Genombrottsarbetet tar ett steg mot mer kompakt och effektiv kraftelektronik, vilket i sin tur skulle kunna förbättra allt från hemelektronik till elnät. Kraftelektronik är avgörande för elektriska system eftersom de överför kraft från dess källa till lasten, eller användare, genom att konvertera spänningar, strömmar och frekvenser. Sandias forskning publicerades i somras i Bokstäver i tillämpad fysik och Elektronik bokstäver och presenteras på konferenser.

"Målet är att kunna krympa strömförsörjningen, kraftomvandlingssystem, " sa elektroingenjören Bob Kaplar, som leder ett Laboratory Directed Research and Development-projekt som studerar halvledarmaterial med ultrawide bandgap (UWBG). Projektet utforskar sätt att odla dessa material med färre defekter och skapa olika enhetsdesigner som utnyttjar egenskaperna hos dessa nya material som har betydande fördelar jämfört med kisel.

Projektet lägger den vetenskapliga grunden för det nya forskningsområdet UWBG, svara på frågor som hur materialen beter sig och hur man arbetar med dem. Det kommer också att hjälpa Sandias bredare arbete genom utveckling, som kompakt effektomvandling genom att använda bättre halvledarenheter. "Att förstå vetenskapen hjälper till att leda mot det andra målet, " sa Kaplar.

Bandgap är en grundläggande materialegenskap som hjälper till att bestämma elektrisk ledningsförmåga och slutligen transistorprestanda. Wide bandgap (WBG) material gör att enheter kan arbeta vid högre spänningar, frekvenser och temperaturer, och börjar få inverkan på energiomvandlingssystem. Framväxande material med ultrabred bandgap är ännu mer attraktiva eftersom de skulle kunna tillåta ytterligare skalning till enheter som arbetar med ännu högre spänningar, frekvenser och temperaturer. När de görs till transistorer, materialen har potential att avsevärt förbättra prestanda och effektivitet hos elnät, elektriska fordon, datorströmförsörjning och motorer för sådant som uppvärmning, ventilations- och luftkonditioneringssystem (HVAC). Snabbare omkoppling kan också leda till mindre kondensatorer och tillhörande kretskomponenter, miniatyrisera hela kraftsystemet.

Arbete visar transistor med högsta bandgap

Sandia-forskare visade den högsta bandgap-transistorn någonsin, en transistor med hög elektronmobilitet, och publicerade dessa resultat i 18 juli-upplagan av Bokstäver i tillämpad fysik . Sandia publicerade tidningar i juni och juli i Elektronik bokstäver analysera prestandan hos dioder tillverkade av galliumnitrid (GaN) och aluminium galliumnitrid (AlGaN).

"Alla tre av dessa papper representerar framsteg på vägen mot mer kompakta och mer effektiva kraftomvandlare, "Kaplar sa. "De är också mycket spännande utvecklingar inom halvledarmaterial och enhetsfysik i sin egen rätt."

Dock, han varnade för att arbetet inte betyder att UWBG-enheter är redo för marknaden.

"Det finns många fler förbättringar som måste göras på transistorn, " sa han. "Detsamma med dioderna. Det finns mycket mer optimering som måste göras, mycket vi inte förstår om deras beteende."

Forskare vid Sandia och på andra håll har studerat WBG-material, såsom kiselkarbid (SiC) och GaN, i ungefär två decennier. Under de senaste åren har Sandia har också tittat på nästa generations UWBG-material, såsom AlGaN. Faktiskt, Sandia myntade termen ultrawide bandgap, som har fångat i hela forskarvärlden, sa Kaplar.

Forskare studerar bästa sättet att odla nya material

En viktig pusselbit är att ta reda på det bästa sättet att odla nya halvledarmaterial. Forskare måste också förstå defekter i materialen, hur man bearbetar material till arbetsanordningar och hittar sätt att förbättra passiva element, såsom magnetiska induktorer.

Halvledarmaterial kännetecknas av sin effektivitet och effektivitet, så det är lätt att anta att du kan göra ett nätaggregat 10 gånger mindre om ett material är 10 gånger bättre än ett annat. Men det är inte så enkelt. "Det beror på andra komponenter i strömomvandlaren. Det finns magneter, det finns kondensatorer, " sa Kaplar. "Vi börjar titta på vad som är en mer realistisk skalning."

Han och hans kollegor samarbetar med Sandia-experter inom andra områden för att förstå sambandet mellan halvledare och andra komponenter i ett system. "Halvledaren möjliggör systemet, men om du har något annat som begränsar det, då kan du inte nå halvledarens fulla potential för att krympa storleken på effektomvandlingen, sa Kaplar.

Bättre halvledarmaterial skulle innebära högre absoluta spänningar för sådana användningar som distribution av elnätsenergi. Just nu görs det genom att stapla enheter i serie för att nå en önskad kombinerad spänning. Eftersom UWBG-material har högre spänningar än mer traditionella material, mycket färre enheter skulle behövas i stacken. Kaplar sa att UWBG-material också kan vara användbart vid extrema temperaturer eller strålningsmiljöer - tillämpningar av intresse för kärnvapen eller satelliter.

På grund av den potentiella inverkan på så mycket av Sandias arbete, Kaplar förväntar sig att UWBG-forskningen kommer att fortsätta efter att det nuvarande projektet avslutas nästa september. "Vi lägger grunden och sedan vill vi att den ska fortsätta att utvecklas, både vetenskapen och de eventuella tillämpningarna."