北卡羅來納州立大學(xué)（NCSU）的工程研究人員創(chuàng)造了新的高功率電子器件，比以前的技術(shù)更節(jié)能。通過以受控方式摻雜GaN的獨特技術(shù)使這些器件成為可能。在2021發(fā)表的一篇論文中，研究人員概述了一種使用離子注入和激活在GaN材料中局域摻雜的技術(shù)。換句話說，他們將雜質(zhì)設(shè)計到GaN材料上的特定區(qū)域中，以僅在這些區(qū)域中選擇性地修改GaN的電性能。

他們在《應(yīng)用物理快報》（Applied Physics Express）上發(fā)表的新論文《使用超高氣壓退火激活的Mg注入實現(xiàn)接近理想性能的垂直GaN結(jié)勢壘肖特基二極管》。研究人員已經(jīng)演示了如何使用這種技術(shù)來創(chuàng)建實際器件。具體地說，研究人員使用選擇性摻雜的GaN材料制造出結(jié)勢壘肖特基（JBS）二極管。

“許多技術(shù)都需要功率轉(zhuǎn)換——功率從一種形式轉(zhuǎn)換到另一種形式”Dolar Khachariya說，他是這項工作論文的第一作者，也是北卡羅來納州立大學(xué)的前博士生。“例如，該技術(shù)可能需要將AC轉(zhuǎn)換為DC，或?qū)㈦娹D(zhuǎn)換為功——就像電機一樣。在任何功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，大部分電力損失發(fā)生在電源開關(guān)處，電源開關(guān)是構(gòu)成功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的電路的有源組件。

“我們在這里的工作不僅意味著我們可以減少功率電子器件中的能量損失，而且我們還可以使功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與傳統(tǒng)硅和碳化硅功率器件相比更緊湊，”論文作者之一、NC州立大學(xué)材料科學(xué)與工程副教授Ramón Collazo說。“這使得可以將這些系統(tǒng)整合到由于重量或尺寸限制而目前不適合的技術(shù)中，例如汽車、船舶、飛機或分布在整個智能電網(wǎng)中的技術(shù)。”

“功率整流器，如JBS二極管，在每個功率系統(tǒng)中都用作開關(guān)，”Collazo說。“但從歷史上看，它們是由半導(dǎo)體硅或SiC制成的，因為未摻雜GaN的電性能與JBS二極管的結(jié)構(gòu)不兼容。這根本不起作用。

“我們已經(jīng)證明，您可以選擇性地?fù)诫sGaN以創(chuàng)建功能性JBS二極管，并且這些二極管不僅具有功能性，而且比使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體的JBS二極管實現(xiàn)更高的功率效率轉(zhuǎn)換。例如，在技術(shù)方面，我們的GaN JBS二極管在自支撐GaN襯底上制造，具有創(chuàng)紀(jì)錄的高擊穿電壓（915 V）和創(chuàng)紀(jì)錄的低導(dǎo)通電阻。

“我們目前正在與行業(yè)合作伙伴合作，以擴大選擇性摻雜GaN的生產(chǎn)，并正在尋找更多的合作伙伴，以解決與更廣泛地制造和采用這種材料的功率器件有關(guān)的問題，”Collazo說。這項工作主要由ARPA-E作為其PNDIODES計劃的一部分提供支持。這項工作得到了美國國家科學(xué)基金會、全球海軍研究辦公室的海軍國際科技合作機會計劃和波蘭國家研究與發(fā)展中心（NCBR）的額外支持。

(來源：化合物半導(dǎo)體聯(lián)盟)