Un equipo de ingenieros de la Universidad de Cornell, la Universidad de Notre Dame y la compañía de semiconductores IQE ha creado diodos de potencia de nitruro de galio GaN capaces de servir como bloques de construcción para futuros interruptores de potencia GaN, con aplicaciones que abarcan casi todos los productos electrónicose infraestructuras de distribución eléctrica.
Los dispositivos semiconductores de potencia son una parte crítica de la infraestructura energética: toda la electrónica depende de ellos para controlar o convertir la energía eléctrica. Los semiconductores basados en silicio se están acercando rápidamente a sus límites de rendimiento dentro de la electrónica, por lo que se están explorando materiales como GaN como potencialesreemplazos que pueden volver obsoletos los interruptores de silicio.
Pero además de tener muchas características deseables como material, GaN es conocido por sus defectos y problemas de confiabilidad. Por lo tanto, el equipo se concentró en dispositivos basados en GaN con concentraciones de defectos bajas récord para probar los límites de rendimiento finales de GaN para electrónica de potencia.describir sus resultados en un artículo en la revista letras de física aplicada , de AIP Publishing.
"Nuestro objetivo de ingeniería es desarrollar interruptores de bajo costo, confiables y de alta eficiencia para acondicionar la electricidad, desde donde se genera hasta donde se consume dentro de los sistemas de energía eléctrica, para reemplazar las tecnologías antiguas, voluminosas e ineficientes", dijoZongyang Hu, un postdoctorado que trabaja en el grupo de investigación de la profesora Grace Huili Xing dentro de la Facultad de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Cornell. "Los dispositivos de alimentación basados en GaN son tecnologías que permiten alcanzar este objetivo".
El equipo examinó las uniones semiconductoras pn, hechas uniendo materiales semiconductores tipo p agujeros libres y tipo n electrones libres, que tienen aplicaciones directas en células solares, diodos emisores de luz LED, rectificadores en circuitos,y numerosas variaciones en dispositivos más complejos como los transistores de potencia. "Para nuestro trabajo, los diodos de unión pn de alto voltaje se utilizan para probar las propiedades del material de GaN", explicó Hu.
Para describir cuánto se desvían las características de voltaje de corriente del dispositivo del caso ideal en un sistema de semiconductores sin defectos, el equipo utiliza un "factor de idealidad de diodos". Esto es "un indicador extremadamente sensible de los defectos en masa, la interfaz y la superficiedefectos y resistencia del dispositivo ", agregó.
Existen defectos dentro de todos los materiales, pero en niveles variables. "Entonces, un parámetro que usamos para describir efectivamente el nivel de defectos en un material es la vida útil de la recombinación de Shockley-Read-Hall SRH", dijo Hu.
La vida útil de SRH es el tiempo promedio que se tarda en inyectar electrones y agujeros en la unión para moverse antes de recombinarse en los defectos. "Cuanto más bajo es el nivel de defectos, más larga es la vida útil de la SRH", explicó Hu. "También es interesante notar que paraGaN, una vida útil de SRH más larga da como resultado una emisión de luz más brillante producida por el diodo ".
El trabajo es significativo porque muchos investigadores de todo el mundo están trabajando para encontrar formas de hacer que los materiales de GaN sean confiables para su uso dentro de la electrónica futura. Debido a la presencia de defectos con altas concentraciones en los materiales típicos de GaN en la actualidad, los dispositivos basados en GaN a menudo funcionan auna fracción de lo que GaN es realmente capaz de hacer.
Vale la pena señalar que, en 2014, se otorgó un Premio Nobel de física a tres científicos por hacer contribuciones seminales e innovadoras en el campo de los LED basados en GaN. Aunque funcionan en condiciones comprometidas, los LED GaN están ayudando a cambiar la iluminación globalindustria a una era de iluminación de estado sólido mucho más eficiente en energía.
El trabajo dirigido por Xing en la Universidad de Cornell es el primer informe de diodos pN de GaN con un rendimiento casi ideal en todos los aspectos simultáneamente: un factor de idealidad de unidad, voltaje de ruptura de avalancha y una mejora de dos veces en la figura del dispositivoméritos sobre registros anteriores.
"Nuestros resultados son un paso importante hacia la comprensión de las propiedades intrínsecas y el verdadero potencial de GaN", señaló Hu. "Y estos logros solo son posibles en estructuras de dispositivos GaN de alta calidad un esfuerzo dirigido por ingenieros de IQE preparados en altasustratos a granel GaN de alta calidad y con tecnologías de fabricación ajustadas con precisión un esfuerzo dirigido por el Dr. Kazuki Nomoto, investigador asociado de la Universidad de Cornell "
Una gran sorpresa para el equipo fue la inesperada baja diferencia en la resistencia del diodo GaN: "Es como si el cuerpo de todo el diodo pn fuera transparente al flujo de corriente sin resistencia", dijo ".Creemos que esto se debe a la inyección de alto nivel de los transportistas minoritarios y su larga vida útil, y lo estamos explorando más a fondo ".
El trabajo del equipo es parte del programa "INTERRUPTORES" de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Energía ARPA-E del Departamento de Energía de los Estados Unidos DOE, supervisado por el Dr. Timothy Heidel. "Liderando uno de estos proyectos, nosotros en Cornell,En colaboración con nuestros socios industriales, IQE, Qorvo y UTRC, han establecido un plan integrado para desarrollar tres transistores de potencia GaN terminales, empaquetarlos e insertarlos en circuitos y productos ", dijo Xing.
Más allá del proyecto DOE ARPA-E, el equipo está abierto a la colaboración con cualquier investigador o compañía interesada en ayudar a llevar a buen término la electrónica de potencia GaN.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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