I ricercatori di ingegneria hanno creato nuovi dispositivi elettronici ad alta potenza che sono più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle tecnologie precedenti. I dispositivi sono resi possibili da una tecnica unica per il "doping" del nitruro di gallio (GaN) in modo controllato.

"Molte tecnologie richiedono la conversione dell'alimentazione, in cui l'alimentazione viene trasferita da un formato all'altro", afferma Dolar Khachariya, il primo autore di un articolo sul lavoro ed ex dottorato di ricerca. studente alla North Carolina State University. "Ad esempio, la tecnologia potrebbe dover convertire la corrente alternata in corrente continua o convertire l'elettricità in lavoro, come un motore elettrico. E in qualsiasi sistema di conversione di potenza, la maggior parte delle perdite di potenza si verifica sull'interruttore di alimentazione, che è un componente attivo dell'elettricità circuito che realizza il sistema di conversione di potenza."

"Lo sviluppo di componenti elettronici di potenza più efficienti come gli interruttori di alimentazione riduce la quantità di energia persa durante il processo di conversione", afferma Khachariya, che ora è ricercatore presso Adroit Materials Inc. "Questo è particolarmente importante per lo sviluppo di tecnologie a supporto di un'energia più sostenibile infrastrutture, come le reti intelligenti."

"Il nostro lavoro qui non significa solo che possiamo ridurre la perdita di energia nell'elettronica di potenza, ma possiamo anche rendere i sistemi per la conversione di potenza più compatti rispetto all'elettronica convenzionale di silicio e carburo di silicio", afferma Ramón Collazo, coautore dell'articolo e un professore associato di scienza dei materiali e ingegneria presso NC State. "Ciò consente di incorporare questi sistemi in tecnologie in cui attualmente non si adattano a causa di limiti di peso o dimensioni, come automobili, navi, aeroplani o tecnologie distribuite su una rete intelligente."

In un articolo pubblicato in Lettere di Fisica Applicata nel 2021, i ricercatori hanno delineato una tecnica che utilizza l'impianto e l'attivazione di ioni per drogare aree mirate nei materiali GaN. In altre parole, hanno ingegnerizzato le impurità in regioni specifiche sui materiali GaN per modificare selettivamente le proprietà elettriche del GaN solo in quelle regioni.

Nel loro nuovo articolo, i ricercatori hanno dimostrato come questa tecnica può essere utilizzata per creare dispositivi reali. In particolare, i ricercatori hanno utilizzato materiali GaN drogati selettivamente per creare diodi Junction Barrier Schottky (JBS).

"I raddrizzatori di potenza, come i diodi JBS, vengono utilizzati come interruttori in ogni sistema di alimentazione", afferma Collazo. "Ma storicamente sono stati realizzati con semiconduttori di silicio o carburo di silicio, perché le proprietà elettriche del GaN non drogato non sono compatibili con l'architettura dei diodi JBS. Semplicemente non funziona."

"Abbiamo dimostrato che è possibile drogare selettivamente il GaN per creare diodi JBS funzionali e che questi diodi non solo sono funzionali, ma consentono una conversione più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai diodi JBS che utilizzano semiconduttori convenzionali. Ad esempio, in termini tecnici, il nostro GaN JBS il diodo, fabbricato su un substrato GaN nativo, ha un'elevata tensione di rottura record (915 V) e una bassa resistenza di accensione."

"Attualmente stiamo lavorando con partner del settore per aumentare la produzione di GaN drogato selettivamente e stiamo cercando ulteriori partnership per lavorare su questioni relative a una produzione più diffusa e all'adozione di dispositivi di alimentazione che fanno uso di questo materiale", afferma Collazo.

Il documento, "Vertical GaN Junction Barrier Schottky Diodes with Near-ideal Performance using Mg Implantation Activated by Ultra-High-Pressure Annealing", è pubblicato sulla rivista Applied Physics Express . + Esplora ulteriormente

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