Университет штата Аризона разрабатывает транзисторы из алмаза и нитрида бора

57

2 января 2023 г.

Силовые транзисторы для регулирования потока электроэнергии традиционно изготавливаются из кремния, тогда как более совершенные транзисторы изготавливаются из карбида кремния (SiC) или нитрида галлия (GaN). Но Тревор Торнтон, профессор электротехники в Школе электротехники, вычислительной техники и энергетики Аризонского государственного университета (часть Инженерной школы Айры А. Фултона), возглавляет группу, исследующую использование двух новых транзисторных материалов: алмаза и бора. нитрид (BN).

Команда Торнтона проводит свои исследования в Научно-технологическом центре передовых материалов, процессов и энергетических устройств ASU (AMPED STC). Целью AMPED является разработка материалов и технологий с отраслевыми партнерами для поддержки миссии Инициативы Аризоны по новой экономике, которая направлена ​​​​на повышение конкурентоспособности Аризоны в разработке передовых технологий. AMPED уделяет особое внимание разработке технологий и материалов, используемых в производстве аккумуляторов, солнечной электроэнергетики и силовой электроники.

В исследовательскую группу входят Торнтон и другие преподаватели ASU, включая Терри Алфорда, профессора материаловедения и инженерии, Стивена Гудника, профессора электротехники, и Роберта Неманича, регентского профессора физики, а также докторантов в области электротехники и материаловедение и инженерия. Они работают с Northrop Grumman Mission Systems в качестве отраслевого партнера проекта.

Бриллиантовая эффективность сияет

Торнтон говорит, что алмаз исследуется как материал для транзисторов из-за его высокой теплопроводности по сравнению с существующими материалами, например, в 8-10 раз выше, чем у нитрида галлия. Подсчитано, что использование всего потенциала алмаза может уменьшить размер транзисторов на 90%.

Алмаз также имеет сильное поле пробоя, т. е. он может выдерживать высокое напряжение по сравнению с большинством материалов до разрушения, что подходит для приложений, в которых используется большое количество энергии.

В то время как алмаз является материалом, выбранным командой для основного корпуса транзистора, они исследуют возможность использования нитрида бора для электрических контактов транзисторов.

Подобно алмазу, нитрид бора имеет сильное поле пробоя и высокую теплопроводность. Роль Гудника связана в первую очередь с компьютерным моделированием и моделированием использования транзисторов из нитрида бора.

Команда ожидает, что, объединив свои знания о том, как алмаз и нитрид бора работают в качестве материалов для транзисторов, они смогут создавать транзисторы из обоих материалов. Мы надеемся, что материалы дополняют друг друга и работают вместе даже лучше, чем по отдельности.

«Ожидается, что сверхширокозонные полупроводниковые материалы, такие как алмаз и нитрид бора, приведут к более эффективному преобразованию энергии с меньшим энергопотреблением и гораздо меньшими компонентами», — говорит Гудник. «Это улучшит будущую энергосистему, что необходимо для продолжающегося перехода к возобновляемым источникам энергии и электрификации транспортного сектора».

Лучшее рассеивание тепла для улучшения связи

У этого исследования есть приложения, которые были бы особенно полезны для коммуникационных технологий, говорит команда. Многие спутники работают на солнечной энергии, что требует транзисторов для преобразования электричества в форму, пригодную для использования спутником. «Вы не можете запустить электроподстанцию ​​в космос, — говорит Торнтон. «Любое улучшение размера и веса спутника имеет огромное значение».

Еще одна коммуникационная технология, которую могли бы улучшить транзисторы, — вышка сотовой связи. Транзисторы преобразуют мощность в форму, необходимую для создания радиочастотных волн, которые используют мобильные телефоны.

По словам Торнтона, одна из самых больших проблем, с которыми приходится сталкиваться при проектировании и эксплуатации вышек сотовой связи, заключается в обеспечении их охлаждения. Это особенно актуально в таких жарких условиях, как Феникс.

Силовые транзисторы в старых вышках сотовой связи обычно изготавливаются из кремния, а в новых системах 5G используется нитрид галлия. Команда Торнтона ожидает, что благодаря улучшенному рассеиванию тепла транзисторы, изготовленные из алмаза и нитрида бора, значительно уменьшат мощность охлаждения, необходимую для вышек сотовой связи, что значительно упростит предотвращение их перегрева.

Термоусадочные подстанции

В то время как проект с Northrop Grumman Mission Systems сосредоточен на коммуникационных технологиях, транзисторы, изготовленные из алмаза и нитрида бора, также находят применение в преобразовании энергии для электрических систем и электросетей. Эти более эффективные материалы могут снизить требования к размерам подстанций электросетей, которые обычно занимают площадь земли размером с здание.

Неманич, преподаватель физического факультета АГУ, возглавляет Исследовательский центр Energy Frontier (EFRC) «Ультраматериалы для устойчивой интеллектуальной электросети» (ULTRA), проводящий исследования в области силовой электроники. Он также возглавляет лабораторию по выращиванию искусственных алмазных материалов, которые команда Торнтона будет использовать в своих исследованиях.

«Последние 10 лет мы выращиваем алмазы для электронных устройств, — говорит Неманич. «Наша лаборатория по напылению алмазов обладает уникальными возможностями для разработки электронных материалов и устройств, — считает он.

Междисциплинарные усилия

В дополнение к опыту Торнтона в области электротехники и работе Неманича с алмазом как электронным материалом, Алфорд, преподаватель Школы инженерии материи, транспорта и энергетики (часть Фултонских школ), делится своим опытом в области материаловедения.

Алфорд работает над характеристикой материалов, анализируя свойства материалов, которые исследует команда. Он также возглавляет часть исследований, посвященных использованию новых типов металлических электрических контактов, соединенных с алмазом в качестве подложки, и совместно консультирует докторанта по материаловедению и инженерии, участвующего в исследовании вместе с Торнтоном.

Работа с командой Торнтона в AMPED STC дала Алфорду возможность провести исследование, которое отличается от его обычных тем. Он считает, что его точка зрения как материаловеда может помочь команде достичь своих целей. «Мы выражаем желание понять влияние дефектов материала», — говорит Алфорд. «Мы хотим иметь возможность понять эти дефекты и то, как они влияют на производительность устройства».

Взгляд в будущее электроники

Проект исследования транзисторов финансируется в течение двух лет в рамках партнерства AMPED STC с Northrop Grumman Mission Systems. Однако, по словам Торнтона, для полной реализации потенциала транзисторов для широкого применения может потребоваться больше времени.

«У нас будут прорывы, но я не думаю, что они получат широкое распространение в том виде, о котором мы говорим, в ближайшие 5–10 лет», — говорит он. «Это такие среднесрочные и долгосрочные исследования, в которых некоторые приложения будут реализованы быстрее, а другие будут занимать 10 лет для широко распространенных потребительских приложений».

Алмаз Гексагональный нитрид бора

https://neweconomy.asu.edu/amped

www.northropgrumman.com/who-we-are/business-sectors/mission-systems

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Пожалуйста, введите ваш комментарий!
пожалуйста, введите ваше имя здесь