Инженеры-исследователи Университета штата Северная Каролина (США) создали новые мощные электронные устройства, которые более энергоэффективны, чем предыдущие, благодаря уникальной технологии контролируемого «легирования» нитрида галлия (GaN).
Многие технологии требуют преобразования энергии – когда мощности переключается с одного формата на другой. Например, может потребоваться преобразовывать переменный ток в постоянный или преобразовывать электричество в работу – как в электродвигателе. И в любой системе преобразования энергии большая часть потерь мощности происходит в переключателе питания, который является активным компонентом электрической цепи.
«Разработка более эффективной силовой электроники, такой как силовые выключатели, снижает количество энергии, теряемой в процессе преобразования. Это особенно важно для разработки технологий, поддерживающих более устойчивое питание, инфраструктура, такая как интеллектуальные сети», – отметил первый автор новой разработки Долар Хачария, выпускник Университета штата Северная Каролина, который сейчас работает исследователем в Adroit Materials Inc.
Соавтор исследования Рамон Коллазо, доцент материаловедения и инженерии в Университете штата Северная Каролина, дополнил: «Наша работа означает не только то, что мы можем уменьшить потери энергии в силовой электронике, но мы также можем сделать системы преобразования энергии более компактными по сравнению с обычной кремниевой и карбидокремниевой электроникой. Это позволяет включать эти системы в технологии, где они в настоящее время не подходят из-за ограничений по весу или размеру – например, в автомобилях, кораблях, самолетах или технологиях, распределенных по интеллектуальной сети».
Ранее (в 2021 году) те же исследователи описали в научной публикации метод, который использует ионную имплантацию и активацию для легирования целевых областей в материалах GaN. Другими словами, они встроили примеси в определенные области материалов GaN, чтобы избирательно изменить их электрические свойства.
Теперь в своей новой работе исследователи продемонстрировали, как эту технологию можно использовать для создания реальных электронных устройств. В частности, исследователи использовали селективно легированные материалы GaN для создания диодов Шоттки с барьером перехода (JBS).
Силовые выпрямители, такие как диоды JBS, используются в качестве переключателей в каждой энергосистеме. Как пояснил Коллазо, «исторически они были сделаны из полупроводникового кремния или карбида кремния, потому что электрические свойства нелегированного GaN несовместимы с архитектурой диодов JBS. Это просто не работает».
В новой разработке было продемонстрировано решение проблемы: возможность выборочно легировать GaN для создания функциональных диодов JBS. Полученные таким способом диоды не только полностью функциональными, но и обеспечивают более энергоэффективное преобразование, чем прежние аналоги, в которых используются обычные полупроводники.
По данным исследователей, диод GaN JBS, изготовленный на собственной подложке GaN, имеет рекордно высокое напряжение пробоя (915 В) и рекордно низкое сопротивление в открытом состоянии.