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Articulo de referencia

nitruro de galio

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El nitruro de galio ( GaN ) es un semiconductor binario III / V de banda prohibida directa comúnmente utilizado en diodos emisores de luz azul desde la década de 1990. El compuesto es un material muy duro que tiene una estructura cristalina de wurtzita . Su amplia banda prohibida de 3,4 eV le confiere propiedades especiales para aplicaciones en optoelectrónica , [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] dispositivos de alta potencia y alta frecuencia. Por ejemplo, el GaN es el sustrato que hace posibles los diodos láser violetas (405 nm), sin necesidad de duplicación de frecuencia óptica no lineal .  

Su sensibilidad a la radiación ionizante es baja (como otros nitruros del grupo III ), lo que lo convierte en un material adecuado para paneles solares en satélites . Las aplicaciones militares y espaciales también podrían beneficiarse, ya que los dispositivos han demostrado estabilidad en entornos de alta radiación . [ 13 ]

Debido a que los transistores de GaN pueden operar a temperaturas y voltajes mucho más altos que los transistores de arseniuro de galio (GaAs), son amplificadores de potencia ideales en frecuencias de microondas. Además, el GaN ofrece características prometedoras para dispositivos de THz . [ 14 ] Debido a su alta densidad de potencia y límites de ruptura de voltaje, el GaN también está emergiendo como un candidato prometedor para aplicaciones de estaciones base celulares 5G. Desde principios de la década de 2020, los transistores de potencia de GaN han comenzado a usarse cada vez más en fuentes de alimentación en equipos electrónicos, convirtiendo la electricidad de la red CA en CC de bajo voltaje , así como aplicaciones de voltaje más alto como inversores de tracción de vehículos eléctricos [ 15 ] debido a su pequeño tamaño, velocidad de conmutación rápida y alta eficiencia.

Propiedades físicas

cristal de GaN

El GaN es un material semiconductor de banda prohibida ancha muy duro ( dureza Knoop de 14,21  GPa [ 16 ] : 4 ), mecánicamente estable, con alta capacidad calorífica y conductividad térmica. [ 17 ] En su forma pura resiste el agrietamiento y puede depositarse en película delgada sobre zafiro o carburo de silicio , a pesar del desajuste en sus constantes de red . [ 17 ] El GaN puede doparse con silicio (Si) o con oxígeno [ 18 ] para obtener un tipo n y con magnesio (Mg) para obtener un tipo p . [ 19 ] [ 20 ] Sin embargo, los átomos de Si y Mg cambian la forma en que crecen los cristales de GaN, introduciendo tensiones de tracción y haciéndolos frágiles. [ 21 ] Los compuestos de nitruro de galio también tienden a tener una alta densidad de dislocaciones , del orden de 10⁸ a 10¹⁰ defectos por centímetro cuadrado. [ 22 ]

El Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. (ARL) proporcionó la primera medición de la velocidad de los electrones de alto campo en GaN en 1999. [ 23 ] Los científicos del ARL obtuvieron experimentalmente una velocidad máxima en estado estacionario deSe obtuvo una velocidad de 1,9 × 10⁷ cm/s  , con un tiempo de tránsito de 2,5 picosegundos, a un campo eléctrico de 225  kV/cm. Con esta información, se calculó la movilidad de los electrones , lo que proporcionó datos para el diseño de dispositivos de GaN.

Desarrollos

Una de las primeras síntesis de nitruro de galio se realizó en el Laboratorio George Herbert Jones en 1932. [ 24 ]

Una síntesis temprana de nitruro de galio fue realizada por Robert Juza y Harry Hahn en 1938. [ 25 ]

El GaN con una alta calidad cristalina se puede obtener depositando una capa tampón a bajas temperaturas. [ 26 ] Este GaN de alta calidad condujo al descubrimiento del GaN de tipo p, [ 19 ] los LED azules/UV de unión p-n [ 19 ] y la emisión estimulada a temperatura ambiente [ 27 ] (esencial para la acción láser). [ 28 ] Esto ha llevado a la comercialización de LED azules de alto rendimiento y diodos láser violetas de larga duración, y al desarrollo de dispositivos basados ​​en nitruros, como detectores UV y transistores de efecto de campo de alta velocidad .

LEDs

Los diodos emisores de luz (LED) de GaN de alto brillo completaron la gama de colores primarios y posibilitaron aplicaciones como pantallas LED a todo color visibles a la luz del día, LED blancos y dispositivos láser azules . Los primeros LED de alto brillo basados ​​en GaN utilizaron una película delgada de GaN depositada mediante epitaxia en fase de vapor metalorgánico (MOVPE) sobre zafiro . Otros sustratos utilizados son óxido de zinc , con un desajuste de constante de red de solo el 2%, y carburo de silicio (SiC). [ 29 ] Los semiconductores de nitruro del grupo III son, en general, reconocidos como una de las familias de semiconductores más prometedoras para la fabricación de dispositivos ópticos en la región visible de longitud de onda corta y UV.

Transistores de GaN y circuitos integrados de potencia

Los voltajes de ruptura muy altos , [ 30 ] la alta movilidad de electrones y la alta velocidad de saturación del GaN lo han convertido en un candidato ideal para aplicaciones de microondas de alta potencia y alta temperatura, como lo demuestra su alto factor de mérito de Johnson . Los mercados potenciales para dispositivos de alta potencia/alta frecuencia basados ​​en GaN incluyen amplificadores de potencia de radiofrecuencia de microondas (por ejemplo, los utilizados en la transmisión inalámbrica de datos de alta velocidad) y dispositivos de conmutación de alto voltaje para redes eléctricas. Una posible aplicación de mercado masivo para transistores de RF basados ​​en GaN es como fuente de microondas para hornos de microondas , reemplazando los magnetrones que se utilizan actualmente. La gran banda prohibida significa que el rendimiento de los transistores de GaN se mantiene hasta temperaturas más altas (~400 °C [ 31 ] ) que los transistores de silicio (~150 °C [ 31 ] ) porque disminuye los efectos de la generación térmica de portadores de carga que son inherentes a cualquier semiconductor. Los primeros transistores de efecto de campo de metal semiconductor de nitruro de galio (GaN MESFET ) se demostraron experimentalmente en 1993 [ 32 ] y se están desarrollando activamente.  

En 2010, los primeros transistores de GaN de modo de enriquecimiento estuvieron disponibles de forma general. [ 33 ] Solo estaban disponibles transistores de canal n. [ 33 ] Estos dispositivos fueron diseñados para reemplazar los MOSFET de potencia en aplicaciones donde la velocidad de conmutación o la eficiencia de conversión de potencia son críticas. Estos transistores se construyen cultivando una capa delgada de GaN sobre una oblea de silicio estándar, a menudo denominada GaN-on-Si por los fabricantes. [ 34 ] Esto permite que los FET mantengan costos similares a los de los MOSFET de potencia de silicio pero con el rendimiento eléctrico superior del GaN, y consiste en cultivar GaN en obleas de silicio utilizando epitaxia MOCVD. [ 35 ] Otra solución aparentemente viable para realizar HFET de canal de GaN de modo de enriquecimiento es emplear una capa cuaternaria de AlInGaN con coincidencia de red y un desajuste de polarización espontánea aceptablemente bajo con respecto al GaN. [ 36 ]

Para aplicaciones de potencia, los HEMT de GaN están disponibles con una gama de diferentes niveles de integración, incluyendo discretos, en cascada , ICeGaN [ 37 ] y con control de puerta integrado. [ 38 ] Los circuitos integrados de GaN integran monolíticamente un FET de GaN, circuitos de control basados ​​en GaN y protección de circuito en un único dispositivo de montaje superficial. [ 39 ] [ 40 ] La integración significa que el bucle de control de puerta tiene prácticamente cero impedancia, lo que mejora aún más la eficiencia al eliminar prácticamente las pérdidas de apagado del FET. Los estudios académicos para crear circuitos integrados de potencia de GaN de bajo voltaje comenzaron en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) y los primeros dispositivos se demostraron en 2015. La producción comercial de circuitos integrados de potencia de GaN comenzó en 2018.

lógica CMOS

En 2016 se informó sobre la primera lógica CMOS  de GaN que utilizaba transistores PMOS y NMOS con longitudes de puerta de 0,5 μm (los anchos de puerta de los transistores PMOS y NMOS eran de 500  μm y 50  μm, respectivamente). [ 41 ]

Aplicaciones

LEDs y láseres

Los diodos láser violetas basados ​​en GaN se utilizan para leer discos Blu-ray . La mezcla de GaN con In ( InGaN ) o Al ( AlGaN ), con una banda prohibida que depende de la proporción de In o Al con respecto a Ga, permite la fabricación de diodos emisores de luz ( LED ) con colores que pueden ir desde el rojo hasta el ultravioleta. [ 29 ]

Transistores y circuitos integrados de potencia

Transistores de alta movilidad electrónica de GaN (fabricados por el Instituto Ferdinand-Braun )
Un cargador de pared USB-PD de GaN de 30  W (derecha) es significativamente más pequeño que un cargador tradicional basado en silicio (izquierda) de la misma potencia.

Los transistores de GaN son adecuados para aplicaciones de alta frecuencia, alto voltaje, alta temperatura y alta eficiencia. [ 42 ] [ 43 ] El GaN es eficiente en la transferencia de corriente, y esto en última instancia significa que se pierde menos energía en forma de calor. [ 44 ]

Los transistores de alta movilidad electrónica (HEMT) de GaN se comercializan desde 2006 y han encontrado una aplicación inmediata en diversas infraestructuras inalámbricas debido a su alta eficiencia y funcionamiento a alto voltaje. Una segunda generación de dispositivos con longitudes de puerta más cortas abordará aplicaciones de telecomunicaciones y aeroespaciales de mayor frecuencia. [ 45 ]

Los transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor ( MOSFET ) y los transistores de efecto de campo metal-semiconductor ( MESFET ) basados ​​en GaN también ofrecen ventajas, como menores pérdidas en electrónica de alta potencia, especialmente en aplicaciones automotrices y de vehículos eléctricos. [ 46 ] Desde 2008, estos se pueden fabricar sobre un sustrato de silicio. [ 46 ] También se han fabricado diodos de barrera Schottky (SBD) de alto voltaje (800  V) . [ 46 ]

La mayor eficiencia y la alta densidad de potencia de los circuitos integrados de gestión de energía de GaN permiten reducir el tamaño, el peso y el número de componentes de aplicaciones como cargadores de móviles y portátiles, electrónica de consumo, equipos informáticos y vehículos eléctricos.

Los dispositivos electrónicos basados ​​en GaN (no GaN puro) tienen el potencial de reducir sustancialmente el consumo de energía, no solo en aplicaciones de consumo, sino también en las empresas de transmisión de energía .

A diferencia de los transistores de silicio que se apagan debido a sobretensiones, los transistores de GaN suelen ser dispositivos de modo de agotamiento (es decir, encendidos/resistivos cuando la tensión puerta-fuente es cero). Se han propuesto varios métodos para lograr el funcionamiento normalmente apagado (o modo E), que es necesario para su uso en electrónica de potencia: [ 47 ] [ 48 ]

  • la implantación de iones de flúor bajo la compuerta (la carga negativa de los iones F favorece el agotamiento del canal)
  • el uso de una pila de compuertas tipo MIS, con un hueco en el AlGaN
  • la integración de un par en cascada constituido por un transistor GaN normalmente encendido y un MOSFET de silicio de bajo voltaje
  • el uso de una capa de tipo p sobre la heterounión AlGaN/GaN

Radares

La tecnología GaN también se utiliza en electrónica militar, como en radares de barrido electrónico activo . [ 49 ]

Thales Group presentó el radar Ground Master 400 en 2010, que utiliza tecnología GaN. En 2021, Thales puso en funcionamiento más de 50 000 transmisores GaN en sistemas de radar. [ 50 ]

El Ejército de los EE. UU. financió a Lockheed Martin para incorporar la tecnología de dispositivo activo GaN en el sistema de radar AN/TPQ-53 para reemplazar dos sistemas de radar de alcance medio, el AN/TPQ-36 y el AN/TPQ-37 . [ 51 ] [ 52 ] El sistema de radar AN/TPQ-53 fue diseñado para detectar, clasificar, rastrear y localizar sistemas de fuego indirecto enemigos, así como sistemas aéreos no tripulados. [ 53 ] El sistema de radar AN/TPQ-53 proporcionó un rendimiento mejorado, mayor movilidad, mayor fiabilidad y capacidad de mantenimiento, menor coste del ciclo de vida y menor tamaño de la tripulación en comparación con los sistemas AN/TPQ-36 y AN/TPQ-37. [ 51 ]

Lockheed Martin desplegó otros radares operativos tácticos con tecnología GaN en 2018, incluido el sistema de radar multirrol TPS-77 desplegado en Letonia y Rumania . [ 54 ] En 2019, el socio de Lockheed Martin, ELTA Systems Limited , desarrolló un radar multimisión ELM-2084 basado en GaN que era capaz de detectar y rastrear aeronaves y objetivos balísticos, al tiempo que proporcionaba guía de control de fuego para la interceptación de misiles o artillería de defensa aérea.

El 8 de abril de 2020, Saab probó en vuelo su nuevo radar AESA de banda X diseñado con GaN en un caza JAS-39 Gripen . [ 55 ] Saab ya ofrece productos con radares basados ​​en GaN, como el radar Giraffe , Erieye , GlobalEye y Arexis EW. [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ] Saab también suministra subsistemas, ensamblajes y software importantes para el AN/TPS-80 (G/ATOR) [ 60 ]

La Organización de Investigación y Desarrollo de la Defensa de la India está desarrollando el radar Virupaakhsha para el Sukhoi Su-30MKI, basado en tecnología GaN. Este radar es una evolución del radar Uttam AESA , utilizado en el HAL Tejas , que emplea tecnología GaAs . [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]

La empresa turca Aselsan entregó el primer radar AESA turco basado en GaN, el ALP 300-G , a las Fuerzas Armadas turcas en mayo de 2024. [ 64 ]

Nanoescala

Se proponen nanotubos y nanocables de GaN para aplicaciones en electrónica a nanoescala , optoelectrónica y detección bioquímica. [ 65 ] [ 66 ]

Potencial de la espintrónica

Cuando se dopa con un metal de transición adecuado como el manganeso , el GaN es un material prometedor para la espintrónica ( semiconductores magnéticos ). [ 29 ]

Síntesis

Sustratos a granel

Los cristales de GaN se pueden cultivar a partir de una mezcla fundida de Na/Ga mantenida bajo una presión de 100 atmósferas de N₂ a 750  °C. Como el Ga no reacciona con el N₂ por debajo de 1000  °C, el polvo debe estar hecho de algo más reactivo, generalmente de una de las siguientes maneras:

2 Ga + 2 NH 3 → 2 GaN + 3 H 2 [ 67 ]
Ga 2 O 3 + 2 NH 3 → 2 GaN + 3 H 2 O [ 68 ]

El nitruro de galio también se puede sintetizar inyectando gas amoníaco en galio fundido a900–980  °C a presión atmosférica normal. [ 69 ]

epitaxia en fase de vapor metalorgánica

Los LED azules, blancos y ultravioleta se cultivan a escala industrial mediante epitaxia en fase de vapor metalorgánico (MOVPE) . [ 70 ] [ 71 ] Los precursores son amoníaco con trimetilgalio o trietilgalio , siendo el gas portador nitrógeno o hidrógeno . El rango de temperatura de crecimiento se encuentra entre800 y 1100  °C . La introducción de trimetilaluminio y/o trimetilindio es necesaria para el crecimiento de pozos cuánticos y otros tipos de heteroestructuras .

Epitaxia de haces moleculares

Comercialmente, los cristales de GaN se pueden cultivar mediante epitaxia de haces moleculares o MBE. El crecimiento de GaN por MBE se divide en dos categorías: MBE con amoníaco (NH₃ - MBE) y MBE asistida por plasma (PA-MBE). En NH₃ - MBE, se utiliza NH₃ como fuente de nitrógeno, mientras que en PA-MBE se utiliza un plasma de nitrógeno por radiofrecuencia (RF). [ 72 ] Este proceso se puede modificar para reducir la densidad de dislocaciones. Primero, se aplica un haz de iones a la superficie de crecimiento para crear rugosidad a nanoescala. Luego, se pule la superficie. Este proceso se lleva a cabo en vacío. Los métodos de pulido suelen emplear un electrolito líquido e irradiación UV para eliminar mecánicamente una fina capa de óxido de la oblea. Se han desarrollado métodos más recientes que utilizan electrolitos poliméricos de estado sólido , libres de disolventes y que no requieren radiación antes del pulido. [ 73 ]

Seguridad

El polvo de GaN es irritante para la piel, los ojos y los pulmones. Los aspectos ambientales, de salud y seguridad de las fuentes de nitruro de galio (como el trimetilgalio y el amoníaco ) y los estudios de monitoreo de higiene industrial de las fuentes MOVPE se han reportado en una revisión de 2004. [ 74 ]

El GaN a granel no es tóxico y es biocompatible . [ 75 ] Por lo tanto, puede utilizarse en los electrodos y la electrónica de implantes en organismos vivos.

Véase también

Referencias

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