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 mogelijk 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 de 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 om een ​​duurzamere energievoorziening te ondersteunen infrastructuur, zoals slimme netwerken."

"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 gepubliceerd in Applied Physics Letters in 2021 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 de 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 maken.

"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 native 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 Applied Physics Express . + Verder verkennen

Nieuwe wereldrecords voor perovskiet-op-silicium-tandem zonnecellen