Silicio vs. semiconductores de nitruro de galio (GaN): Comparación de propiedades y aplicaciones
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 diversos grados de éxito en 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 cristalina tipo wurtzita que se fabrica mediante deposición química en fase de vapor metal-orgánica (MOCVD). En este proceso, el galio y el nitrógeno se combinan para formar el cristal. Existen diversas mezclas para esta síntesis, pero un ejemplo de la síntesis de GaN emplea amoníaco (NH₃) como fuente de nitrógeno y una fuente de galio como el trimetilgalio.
La estructura cristalina del GaN presenta algunos problemas de uniformidad, llegando en ocasiones a millones de defectos por centímetro. Sin embargo, las técnicas MOCVD más modernas han logrado reducir el número de defectos por centímetro a un rango de entre 100 y 1000, lo que permite cultivar y utilizar cristales de GaN más grandes en forma de obleas. Cuando los científicos logran sintetizar GaN con un bajo grado de error, el compuesto presenta varias propiedades cristalinas distintivas que le confieren características deseables en aplicaciones de semiconductores.
Ventaja de banda prohibida de GaN frente a silicio
Una de las ventajas más significativas del nitruro de galio frente al silicio es su banda prohibida, lo que le confiere varias propiedades eléctricas que lo capacitan para aplicaciones de mayor potencia. El nitruro de galio tiene una banda prohibida de 3.2 electronvoltios (eV), mientras que la banda prohibida del silicio es de solo 1.1 eV. Dado que la banda prohibida de GaN es casi el triple que la de silicio, utiliza significativamente más energía para excitar un electrón de valencia hacia la banda de conducción del semiconductor. Esta característica limita el uso de GaN en aplicaciones de muy bajo voltaje, pero permite a GaN tener tensiones de ruptura más altas y mayor estabilidad térmica a temperaturas elevadas.
Campo de ruptura de GaN
El campo de ruptura del 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 alto voltaje 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 usar GaN en aplicaciones de voltaje similar manteniendo una huella significativamente más pequeña. El silicio, en comparación, tiene una densidad de potencia drásticamente mayor.
Movilidad electrónica del nitruro de galio vs. silicio
El silicio tiene una movilidad de electrones de 1500 cm2/Vs, mientras que el nitruro de galio tiene una movilidad de electrones de 2000 cm2/Vs. Por lo tanto, los electrones en los cristales de nitruro de galio pueden moverse más de un 30% más rápido que los electrones del silicio. Esta movilidad de electrones le da al nitruro de galio una ventaja distintiva para su uso en componentes 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. Aunque el nitruro de galio puede no estar tan bien equipado para manejar cargas térmicas altas, 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. Consulte un ejemplo de esta diferencia en conductividad térmica, donde EPC Corporation muestra una demostración de reducción del 40% en la pérdida de energía al comparar un FET de GaN de 120V a 12V 12A 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
El problema tecnológico del nitruro de galio es su proceso de fabricación, especialmente en comparación con el proceso de fabricación ampliamente adoptado y comercializado del silicio. El nitruro de galio, por ejemplo, contiene una cantidad masiva de defectos cristalinos en un área pequeña. En comparación, el silicio puede contener tan solo 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/área es increíblemente ineficaz dado la mayoría de los requisitos de diseño de fabricación de semiconductores. Los defectos también limitaban los sustratos semiconductores de GaN únicamente por su tamaño físico. Aunque las nuevas técnicas de fabricación han reducido el número de defectos a cifras más eficientes, el costo para producir la misma cantidad de obleas de GaN aún no puede compararse con el silicio.
¿Es el nitruro de galio mejor que el silicio?
El GaN tiene ventajas distintas sobre el silicio al ser utilizado para aplicaciones de semiconductores. Hay dos obstáculos principales para el nitruro de galio:
- Control de defectos en la fabricación
- Mantener la rentabilidad
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