Los investigadores de ingeniería han creado nuevos dispositivos electrónicos de alta potencia que son más eficientes energéticamente que las tecnologías anteriores. Los dispositivos son posibles gracias a una técnica única para «dopar» el nitruro de galio (GaN) de forma controlada.
«Muchas tecnologías requieren conversión de energía, donde la energía se cambia de un formato a otro», dice Dolar Khachariya, el primer autor de un artículo sobre el trabajo y ex doctor. estudiante de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. «Por ejemplo, la tecnología podría necesitar convertir CA a CC, o convertir la electricidad en trabajo, como un motor eléctrico. Y en cualquier sistema de conversión de energía, la mayor parte de la pérdida de energía se produce en el interruptor de alimentación, que es un componente activo de el circuito eléctrico que hace el sistema de conversión de energía.
«El desarrollo de electrónica de potencia más eficiente, como los interruptores de potencia, reduce la cantidad de energía perdida durante el proceso de conversión», dice Khachariya, quien ahora es investigador en Adroit Materials Inc. «Esto es particularmente importante para desarrollar tecnologías que respalden una energía más sostenible». infraestructura, como las redes inteligentes».
«Nuestro trabajo aquí no solo significa que podemos reducir la pérdida de energía en la electrónica de potencia, sino que también podemos hacer que los sistemas de conversión de energía sean más compactos en comparación con la electrónica convencional de silicio y carburo de silicio», dice Ramón Collazo, coautor del artículo y profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en NC State. «Esto hace posible incorporar estos sistemas en tecnologías donde actualmente no encajan debido a restricciones de peso o tamaño, como en automóviles, barcos, aviones o tecnologías distribuidas a través de una red inteligente».
En un artículo publicado en 2021, los investigadores describieron una técnica que utiliza la implantación y activación de iones para dopar áreas específicas en materiales de GaN. En otras palabras, diseñaron impurezas en regiones específicas de los materiales de GaN para modificar selectivamente las propiedades eléctricas del GaN solo en esas regiones.
En su nuevo artículo, los investigadores han demostrado cómo se puede utilizar esta técnica para crear dispositivos reales. Específicamente, los investigadores utilizaron materiales de GaN dopados selectivamente para crear diodos Junction Barrier Schottky (JBS).
«Los rectificadores de potencia, como los diodos JBS, se utilizan como interruptores en todos los sistemas de potencia», dice Collazo. “Pero históricamente se han fabricado con semiconductores de silicio o carburo de silicio, porque las propiedades eléctricas del GaN no dopado no son compatibles con la arquitectura de los diodos JBS. Simplemente no funciona.
«Hemos demostrado que se puede dopar GaN de forma selectiva para crear diodos JBS funcionales, y que estos diodos no solo son funcionales, sino que también permiten una conversión de energía más eficiente que los diodos JBS que usan semiconductores convencionales. Por ejemplo, en términos técnicos, nuestro GaN JBS El diodo, fabricado en un sustrato de GaN nativo, tiene un voltaje de ruptura alto récord (915 V) y una resistencia de encendido baja récord.
«Actualmente estamos trabajando con socios de la industria para aumentar la producción de GaN dopado selectivamente, y estamos buscando asociaciones adicionales para trabajar en temas relacionados con la fabricación y adopción más generalizadas de dispositivos de energía que hacen uso de este material», dice Collazo.
El artículo, «Diodos Schottky de barrera de unión de GaN vertical con un rendimiento casi ideal usando implantación de Mg activada por recocido de ultra alta presión», se publica en la revista Expreso de Física Aplicada. El documento fue escrito por Spyridon Pavlidis, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en NC State; Shashwat Rathkanthiwar, investigadora postdoctoral en NC State; Shane Stein, un Ph.D. estudiante en NC State; Hayden Breckenridge, ex Ph.D. estudiante en NC State; Erhard Kohn, investigador asociado de NC State y profesor emérito de la Universidad de Ulm en Alemania; Zlatko Sitar, Profesor Distinguido de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Kobe Steel en NC State y fundador de Adroit Materials; Will Mecouch, Seiji Mita, Baxter Moody, Pramod Reddy, James Tweedie y Ronny Kirste de Adroit Materials; y Kacper Sierakowski, Grzegorz Kamler y Michał Boćkowski del Instituto de Física de Alta Presión de la Academia de Ciencias de Polonia.
El trabajo fue apoyado principalmente por ARPA-E como parte de su programa PNDIODES, bajo las subvenciones DE-AR0000873, DE-AR000149. El trabajo recibió apoyo adicional de la National Science Foundation, en virtud de subvenciones ECCS-1916800, ECCS-1508854, ECCS-1610992, DMR-1508191 y ECCS-1653383; el programa de Oportunidades de Cooperación Internacional Naval en Ciencia y Tecnología de la Oficina de Investigación Naval Global, bajo la subvención N62909-17-1-2004; y el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo de Polonia (NCBR) bajo la subvención TECHMATSTRATEG-III/0003/2019-00.
