El silicio ha sido la base de la tecnología de semiconductores durante casi 60 años. Sin embargo, en más de medio siglo, los ingenieros y fabricantes han logrado grandes avances en la fabricación de silicio, el diseño de circuitos integrados y las aplicaciones de semiconductores. La Ley de Moore muestra que los investigadores están cerca de alcanzar el límite teórico de los semiconductores basados en silicio.
Aunque el sustrato semiconductor de silicio es perfecto para algunas aplicaciones electrónicas, los científicos investigadores y los fabricantes de semiconductores han buscado durante mucho tiempo alternativas más robustas al silicio para aplicaciones específicas. Estos científicos han experimentado distintos grados de éxito durante las últimas décadas, pero ha surgido una fuerte alternativa al silicio: los semiconductores de nitruro de galio (GaN).
Estructura de semiconductor de nitruro de galio
El nitruro de galio es un semiconductor con estructura de cristal de wurtzita que se fabrica mediante deposición química de vapor metalorgánica (MOCVD). En este proceso, el galio y el nitrógeno se combinan para formar el cristal. Existen varias mezclas para esta síntesis, pero un ejemplo de síntesis de GaN emplea el uso de amoníaco (NH3) como fuente de nitrógeno y una fuente de galio como el trimetilgalio.
La estructura cristalina de GaN presenta algunos problemas de uniformidad y en ocasiones alcanza millones de defectos por centímetro. Sin embargo, las técnicas MOCVD más modernas han podido reducir el número de defectos por centímetro a entre 100 y 1000, lo que les permite crecer y utilizar cristales de GaN más grandes como obleas. Cuando los científicos logran sintetizar GaN con un bajo grado de error, el compuesto posee varias propiedades cristalinas distintivas que le otorgan características deseables en aplicaciones de semiconductores.
Ventaja de banda prohibida de GaN frente al silicio
Una de las ventajas más significativas del nitruro de galio frente al silicio es su banda prohibida, que le confiere diversas propiedades eléctricas que lo capacitan para aplicaciones de mayor potencia. El nitruro de galio tiene una banda de energía de 3,2 electronvoltios (eV), mientras que la banda prohibida de silicio es de solo 1,1 eV. Dado que la banda prohibida de GaN es casi el triple de la del silicio, utiliza significativamente más energía para excitar un electrón de valencia en la banda conductora del semiconductor. Esta característica limita el uso de GaN en aplicaciones de tensión muy baja, pero permite que el GaN tenga tensiones de ruptura mayores y mayor estabilidad térmica a temperaturas más altas.
Campo de ruptura de GaN
El campo de ruptura de GaN es de 3,3 MV/cm, mientras que el silicio tiene un campo de ruptura de 0,3 MV/cm. Esto hace que los semiconductores de nitruro de galio sean diez veces más capaces de soportar diseños de alta tensión antes de fallar. Un campo de ruptura más alto significa que el nitruro de galio es superior al silicio en circuitos de alto voltaje, como los productos de alta potencia. Los fabricantes e ingenieros también pueden utilizar GaN en aplicaciones de voltaje similar manteniendo un tamaño significativamente menor. El silicio, en comparación, tiene una densidad de potencia drásticamente mayor.
Movilidad electrónica del nitruro de galio frente al silicio
El silicio tiene una movilidad electrónica de 1500 cm2/Vs, mientras que el nitruro de galio tiene una movilidad electrónica de 2000 cm2/Vs. Por lo tanto, los electrones en los cristales de nitruro de galio pueden moverse un 30 % más rápido que los electrones del silicio. Esta movilidad de electrones le otorga al nitruro de galio una clara ventaja para su uso en componentes de RF, ya que puede manejar frecuencias de conmutación más altas que el silicio.
Comparación de conductividad térmica
Una desventaja del nitruro de galio frente al silicio es su menor conductividad térmica. El nitruro de galio tiene una conductividad térmica de 1,3 W/cmK, mientras que el silicio tiene una conductividad térmica de solo 1,5 W/cmK. Si bien el nitruro de galio puede no estar tan bien equipado para manejar altas cargas térmicas, la eficiencia del GaN a voltajes comparables reduce las cargas térmicas creadas por el circuito, lo que significa que funcionará más frío que el silicio.
Vea un ejemplo de esta diferencia de conductividad térmica, donde EPC Corporation muestra una demostración de una reducción de pérdida de potencia del 40 % al comparar un FET GaN de 120 V, 12 V y 12 A frente a un MOSFET. A su vez, el FET de GaN funciona casi diez grados más frío y ahorra energía mientras funciona.
Fabricabilidad de semiconductores de silicio y GaN
La desventaja tecnológica del nitruro de galio es su proceso de fabricación, especialmente cuando se lo compara con el proceso de fabricación ampliamente adoptado y comercializado del silicio. El nitruro de galio, por ejemplo, contiene una enorme cantidad de defectos cristalinos en un área pequeña. En comparación, el silicio puede contener tan sólo 100 defectos por centímetro cuadrado. Antes de este siglo, los ingenieros nunca habían podido fabricar sustratos de GaN con menos de mil millones de defectos/cm.
Obviamente, esta gran cantidad de defectos por área es increíblemente ineficaz considerando la mayoría de los requisitos de diseño de fabricación de semiconductores. Los defectos también limitaron los sustratos semiconductores de GaN únicamente por su tamaño físico. Si bien las nuevas técnicas de fabricación han reducido el número de defectos a números más eficientes, el costo de producir la misma cantidad de obleas de GaN aún no se puede comparar con el del silicio.
¿Es el nitruro de galio mejor que el silicio?
El GaN tiene claras ventajas sobre el silicio cuando se utiliza para aplicaciones de semiconductores. Existen dos obstáculos principales para el nitruro de galio:
- Control de defectos en la fabricación
- Mantener la rentabilidad
El nitruro de galio es más eficiente, más estable térmicamente y ciertamente más apto para su uso en dispositivos de potencia que demandan más carga o frecuencias más altas a temperaturas más elevadas. El material GaN es a prueba de futuro para el mundo de los semiconductores y dará lugar a productos pequeños y de alta frecuencia más fácilmente disponibles. Explore una variedad de productos de potencia, incluidos los MOSFET de GaN.