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工程研究人员已经创造出了比以前的技术更节能的新型大功率电子设备。这种器件是通过一种独特的技术以可控的方式“掺杂”氮化镓(GaN)而实现的。


“许多技术都需要能量转换,将能量从一种形式转换为另一种形式,例如,这项技术可能需要将交流电转换为直流电,或将电能转换为工作,就像电动机一样。在任何电力转换系统中,大部分的电力损失发生在电源开关上,这是构成电力转换系统的电路的有源组件。”北卡罗来纳州立大学前博士生Dolar Khachariya说,他是该研究论文的第一作者。

开发更高效的电力电子产品,比如电源开关,可以减少转换过程中的电力损耗,这对于开发支持更可持续电力基础设施的技术尤其重要,比如智能电网。


该论文的合著者、北卡罗来纳州材料科学与工程副教授Ramón Collazo说,我们在这里的工作不仅意味着我们可以减少电力电子设备的能量损失,而且我们还可以使电力转换系统比传统的硅和碳化硅电子设备更紧凑,这使得将这些系统整合到目前由于重量或尺寸限制而不适合的技术中成为可能,例如汽车、船舶、飞机或分布在整个智能电网中的技术。


在2021年发表在《应用物理快报》(Applied Physics Letters)上的一篇论文中,研究人员概述了一种利用离子注入和激活在GaN材料中掺杂目标区域的技术。换句话说,他们将杂质引入GaN材料的特定区域,选择性地仅在这些区域修改GaN的电学特性。

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在他们的新论文中,研究人员已经展示了这种技术如何被用于制造实际的设备。具体来说,研究人员使用选择性掺杂GaN材料创建了结势垒肖特基二极管(JBS)。

功率整流器,如JBS二极管,被用作每个电力系统的开关,但历史上它们都是由半导体硅或碳化硅制成的,因为未掺杂GaN的电性能与JBS二极管的结构不兼容。这行不通。但我们已经证明,可以有选择地掺杂GaN来制造功能性的JBS二极管,这些二极管不仅具有功能性,而且比使用传统半导体的JBS二极管实现更高效的功率转换。例如,在技术术语中,我们的GaN JBS二极管在天然GaN衬底上制备,具有创纪录的高击穿电压(915 V)和创纪录的低通电阻。


Collazo说:“我们目前正在与行业伙伴合作,以扩大选择性掺杂GaN的生产规模,并正在寻找更多的合作伙伴,以解决更广泛的制造和采用这种材料的电力设备的相关问题。”


这篇论文“超高压退火激活的Mg注入激活的性能接近理想的垂直GaN结势垒肖特基二极管”发表在《应用物理快报》杂志上。


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