El nitruro de galio ( GaN ) es un semiconductor binario de banda prohibida directa III / V que se utiliza habitualmente 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 proporciona propiedades especiales para aplicaciones en optoelectrónica , [9] [10] [11] dispositivos de alta potencia y alta frecuencia. Por ejemplo, GaN es el sustrato que hace posibles los diodos láser violeta (405 nm), sin necesidad de duplicar la 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 conjuntos de células solares para satélites . Las aplicaciones militares y espaciales también podrían beneficiarse, ya que los dispositivos han demostrado estabilidad en entornos de alta radiación . [12]
Debido a que los transistores de GaN pueden operar a temperaturas mucho más altas y trabajar a voltajes mucho más altos que los transistores de arseniuro de galio (GaAs), son amplificadores de potencia ideales en frecuencias de microondas. Además, GaN ofrece características prometedoras para dispositivos THz . [13] Debido a la alta densidad de potencia y los límites de ruptura de voltaje, GaN también está surgiendo como un candidato prometedor para aplicaciones de estaciones base celulares 5G. Desde principios de la década de 2020, los transistores de potencia GaN se han utilizado cada vez más en fuentes de alimentación en equipos electrónicos, convirtiendo la electricidad de la red eléctrica de CA en CC de bajo voltaje .
El GaN es un material semiconductor de banda ancha muy duro ( dureza Knoop 14,21 GPa [14] : 4 ), mecánicamente estable, con alta capacidad calorífica y conductividad térmica. [15] En su forma pura resiste el agrietamiento y puede depositarse en una película delgada sobre zafiro o carburo de silicio , a pesar del desajuste en sus constantes reticulares . [15] El GaN puede doparse con silicio (Si) o con oxígeno [16] al tipo n y con magnesio (Mg) al tipo p . [17] [18] Sin embargo, los átomos de Si y Mg cambian la forma en que crecen los cristales de GaN, introduciendo tensiones de tracción y volviéndolos frágiles. [19] Los compuestos de nitruro de galio también tienden a tener una alta densidad de dislocaciones , del orden de 10 8 a 10 10 defectos por centímetro cuadrado. [20]
El Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. (ARL) proporcionó la primera medición de la alta velocidad de los electrones de campo en GaN en 1999. [21] Los científicos del ARL obtuvieron experimentalmente una velocidad máxima en estado estable de1,9 × 10 7 cm/s , con un tiempo de tránsito de 2,5 picosegundos, obtenido a un campo eléctrico de 225 kV/cm. Con esta información se calculó la movilidad de los electrones , aportando así datos para el diseño de dispositivos de GaN.
Una de las primeras síntesis de nitruro de galio se realizó en el Laboratorio George Herbert Jones en 1932. [22]
Una de las primeras síntesis de nitruro de galio fue realizada por Robert Juza y Harry Hahn en 1938. [23]
El GaN con una alta calidad cristalina se puede obtener depositando una capa tampón a bajas temperaturas. [24] Este GaN de alta calidad condujo al descubrimiento del GaN de tipo p, [17] los LED azules/UV de unión p–n [17] y la emisión estimulada a temperatura ambiente [25] (esencial para la acción del láser). [26] Esto ha llevado a la comercialización de LED azules de alto rendimiento y diodos láser violeta de larga duración, y al desarrollo de dispositivos basados en nitruro, como detectores UV y transistores de efecto de campo de alta velocidad . [ cita requerida ]
Los diodos emisores de luz (LED) de GaN de alto brillo completaron la gama de colores primarios e hicieron posibles 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 usaban una película delgada de GaN depositada mediante epitaxia en fase de vapor metalorgánica (MOVPE) sobre zafiro . Otros sustratos utilizados son óxido de zinc , con un desajuste de la constante de red de solo el 2% y carburo de silicio (SiC). [27] 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 de longitud de onda corta visible y UV. [ cita requerida ]
Los voltajes de ruptura muy altos , [28] 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 alta figura 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 los transistores de RF basados en GaN es como fuente de microondas para hornos microondas , reemplazando los magnetrones utilizados actualmente. El gran intervalo de banda significa que el rendimiento de los transistores de GaN se mantiene hasta temperaturas más altas (~400 °C [29] ) que los transistores de silicio (~150 °C [29] ) 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 semiconductores de metal de nitruro de galio (GaN MESFET ) se demostraron experimentalmente en 1993 [30] y se están desarrollando activamente.
En 2010, los primeros transistores GaN en modo de mejora se hicieron disponibles para el público en general. [31] Solo había disponibles transistores de canal n. [31] Estos dispositivos fueron diseñados para reemplazar a los MOSFET de potencia en aplicaciones donde la velocidad de conmutación o la eficiencia de conversión de potencia son críticas. Estos transistores se construyen haciendo crecer una capa delgada de GaN sobre una oblea de silicio estándar, a menudo denominada GaN-on-Si por los fabricantes. [32] Esto permite que los FET mantengan costos similares a los MOSFET de potencia de silicio pero con el rendimiento eléctrico superior del GaN. Otra solución aparentemente viable para realizar HFET de canal de GaN en modo de mejora es emplear una capa cuaternaria de AlInGaN con emparejamiento de red de desajuste de polarización espontánea aceptablemente bajo con GaN. [33]
Los circuitos integrados de potencia GaN integran de manera monolítica un FET GaN, un circuito de control basado en GaN y una protección de circuito en un único dispositivo de montaje superficial. [34] [35] La integración significa que el bucle de control de compuerta tiene una impedancia esencialmente cero, lo que mejora aún más la eficiencia al eliminar virtualmente las pérdidas de apagado del FET. Los estudios académicos sobre la creación de circuitos integrados de potencia 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 GaN comenzó en 2018.
En 2016 se informó sobre la primera lógica CMOS de GaN que utiliza transistores PMOS y NMOS con longitudes de compuerta de 0,5 μm (los anchos de compuerta de los transistores PMOS y NMOS fueron 500 μm y 50 μm, respectivamente). [36]
Los diodos láser violeta basados en GaN se utilizan para leer discos Blu-ray . La mezcla de GaN con In ( InGaN ) o Al ( AlGaN ) con una brecha de banda dependiente de la relación de In o Al con GaN permite la fabricación de diodos emisores de luz ( LED ) con colores que pueden ir desde el rojo hasta el ultravioleta. [27]
Los transistores GaN son adecuados para aplicaciones de alta frecuencia, alto voltaje, alta temperatura y alta eficiencia. [37] [38] GaN es eficiente en la transferencia de corriente, y esto en última instancia significa que se pierde menos energía en forma de calor. [39]
Los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) de GaN se comercializan desde 2006 y han encontrado un uso inmediato en diversas aplicaciones de infraestructura inalámbrica debido a su alta eficiencia y funcionamiento a alto voltaje. Una segunda generación de dispositivos con longitudes de compuerta más cortas abordará aplicaciones aeroespaciales y de telecomunicaciones de mayor frecuencia. [40]
Los transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor ( MOSFET ) y los transistores de efecto de campo de metal-semiconductor ( MESFET ) basados en GaN también ofrecen ventajas que incluyen una menor pérdida en la electrónica de alta potencia, especialmente en aplicaciones automotrices y de autos eléctricos. [41] Desde 2008, estos se pueden formar sobre un sustrato de silicio. [41] También se han fabricado diodos de barrera Schottky (SBD) de alto voltaje (800 V) . [41]
La mayor eficiencia y la alta densidad de potencia de los circuitos integrados de potencia de GaN les permiten reducir el tamaño, el peso y la cantidad de componentes de aplicaciones que incluyen cargadores de teléfonos móviles y portátiles, productos electrónicos de consumo, equipos informáticos y vehículos eléctricos.
La electrónica basada en GaN (no GaN puro) tiene el potencial de reducir drásticamente el consumo de energía, no sólo en aplicaciones de consumo sino incluso en servicios públicos de transmisión de energía .
A diferencia de los transistores de silicio que se apagan debido a picos de tensión, [ aclaración necesaria ] los transistores de GaN son típicamente dispositivos en modo de agotamiento (es decir, encendidos/resistivos cuando el voltaje de compuerta-fuente es cero). Se han propuesto varios métodos para alcanzar el funcionamiento normalmente apagado (o modo E), que es necesario para su uso en electrónica de potencia: [42] [43]
La tecnología GaN también se utiliza en electrónica militar, como en los radares de matriz escaneada electrónicamente activa . [44]
El grupo Thales 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. [45]
El ejército de los EE. UU. financió a Lockheed Martin para incorporar tecnología de dispositivo activo de 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 . [46] [47] 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. [48] El sistema de radar AN/TPQ-53 proporcionó un rendimiento mejorado, mayor movilidad, mayor confiabilidad y capacidad de soporte, menor costo del ciclo de vida y menor tamaño de la tripulación en comparación con los sistemas AN/TPQ-36 y AN/TPQ-37. [46]
Lockheed Martin desplegó otros radares operativos tácticos con tecnología GaN en 2018, incluido el sistema de radar multifunción TPS-77 desplegado en Letonia y Rumania . [49] En 2019, el socio de Lockheed Martin , ELTA Systems Limited , desarrolló un radar multimisión ELM-2084 basado en GaN que podía detectar y rastrear aeronaves y objetivos balísticos, al tiempo que proporcionaba orientación de control de fuego para la intercepción de misiles o artillería de defensa aérea.
El 8 de abril de 2020, Saab realizó una prueba de vuelo de su nuevo radar de banda X AESA diseñado con GaN en un caza JAS-39 Gripen . [50] Saab ya ofrece productos con radares basados en GaN, como el radar Giraffe , Erieye , GlobalEye y Arexis EW. [51] [52] [53] [54] Saab también suministra importantes subsistemas, conjuntos y software para el AN/TPS-80 (G/ATOR) [55]
La Organización de Investigación y Desarrollo de Defensa de la India está desarrollando el radar Virupaakhsha para Sukhoi Su-30MKI basado en tecnología GaN. El radar es un desarrollo posterior del radar Uttam AESA para su uso en HAL Tejas , que emplea tecnología GaAs . [56] [57] [58]
Se proponen nanotubos y nanocables de GaN para aplicaciones en electrónica a nanoescala , optoelectrónica y aplicaciones de detección bioquímica. [59] [60]
Cuando se dopa con un metal de transición adecuado como el manganeso , el GaN es un material espintrónico prometedor ( semiconductores magnéticos ). [27]
Los cristales de GaN se pueden formar a partir de una mezcla fundida de Na/Ga mantenida a 100 atmósferas de presión de N2 a 750 °C. Como el Ga no reacciona con el N2 a temperaturas inferiores a 1000 °C, el polvo debe fabricarse a partir de algo más reactivo, normalmente de una de las siguientes maneras:
El nitruro de galio también se puede sintetizar inyectando gas amoniaco en galio fundido a900–980 °C a presión atmosférica normal. [63]
Los LED azules, blancos y ultravioleta se cultivan a escala industrial mediante MOVPE . [64] [65] Los precursores son amoníaco con trimetilgalio o trietilgalio , siendo el gas portador nitrógeno o hidrógeno . La temperatura de crecimiento varía entre800 y 1100 °C . La introducción de trimetilaluminio y/o trimetilindio es necesaria para el crecimiento de pozos cuánticos y otros tipos de heteroestructuras .
En el ámbito comercial, los cristales de GaN se pueden cultivar mediante epitaxia de haz molecular o epitaxia en fase de vapor de organometal . Este proceso se puede modificar aún más para reducir las densidades de dislocación. En primer lugar, se aplica un haz de iones a la superficie de crecimiento para crear una rugosidad a escala nanométrica. A continuación, se pule la superficie. Este proceso se lleva a cabo al vacío. Los métodos de pulido suelen emplear un electrolito líquido e irradiación UV para permitir la eliminación mecánica de una fina capa de óxido de la oblea. Se han desarrollado métodos más recientes que utilizan electrolitos de polímeros de estado sólido que no contienen disolventes y no requieren radiación antes del pulido. [66]
El polvo de GaN es irritante para la piel, los ojos y los pulmones. En una revisión de 2004 se informaron 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 de MOVPE . [67]
El GaN a granel no es tóxico y es biocompatible . [68] Por lo tanto, puede utilizarse en electrodos y componentes electrónicos de implantes en organismos vivos.
Estos dispositivos ofrecen una menor pérdida durante la conversión de energía y características operativas que superan a sus contrapartes tradicionales de silicio.
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