Silicio frente a 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 de semiconductor de silicio es perfecto para algunas aplicaciones electrónicas, los investigadores científicos 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 semiconductores de nitruro de galio
Gallium nitride is a wurtzite crystal structured semiconductor that is manufactured using metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). In this process, gallium and nitrogen combine to form the crystal. Various mixtures for this synthesis exist, but one example of GaN synthesis employs the use of ammonia (NH3) as the nitrogen source and a gallium source such as trimethylgallium.
GaN's crystalline structure has some uniformity issues, sometimes reaching millions of defects per centimeter range. However, the most modern MOCVD techniques have been able to reduce the number of defects per centimeter to anywhere between 100 and 1000, allowing them to grow and utilize larger GaN crystals as wafers. When scientists are able to synthesize GaN to a low degree of error, the compound has several distinct crystalline properties that give it desirable traits in semiconductor applications.
Ventaja de la 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 otorga diversas propiedades eléctricas que lo hacen adecuado 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 solo de 1.1 eV. Dado que la banda prohibida de GaN es casi tres veces mayor que la del silicio, utiliza significativamente más energía para excitar un electrón de valencia hacia la banda de conducción del semiconductor. Esta característica limita el uso del GaN en aplicaciones de muy bajo voltaje, pero permite al GaN tener mayores voltajes de ruptura y más estabilidad térmica a temperaturas más altas.
Campo de ruptura de GaN
El campo de ruptura del GaN es de 3,3 MV/cm, mientras que el del silicio es 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 alta tensión, como los productos de alta potencia. Los fabricantes y los ingenieros también pueden usar GaN en aplicaciones de voltajes similares mientras mantienen un tamaño significativamente más pequeño. Por comparación, el silicio presenta una densidad de potencia drásticamente superior.
Movilidad de electrones en nitruro de galio frente a 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 más de un 30% más rápido que los electrones del silicio. Esta movilidad electrónica 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 apenas 1,5 W/cmK. Aunque el nitruro de galio puede no estar tan bien equipado para manejar cargas térmicas altas, la eficiencia de GaN a voltajes comparables reduce las cargas térmicas creadas por el circuito, lo que significa que funcionará más frío que el silicio. Echa un vistazo a un ejemplo de esta diferencia de conductividad térmica, donde EPC Corporation muestra una demostración de una 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 opera.
Fabricabilidad de semiconductores de silicio y GaN
La desventaja tecnológica del nitruro de galio es su proceso de fabricación, especialmente en comparación con el proceso de fabricación ampliamente adoptado y comercializado del silicio. Por ejemplo, el nitruro de galio contiene una cantidad masiva de defectos en los cristales sobre 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 por área es increíblemente ineficaz dada la mayoría de los requisitos de diseño para la 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 todavía no puede compararse con el silicio.
¿Es el nitruro de galio mejor que el silicio?
El GaN tiene ventajas distintivas sobre el silicio cuando se utiliza en aplicaciones de semiconductores. Hay dos principales desafíos para el nitruro de galio:
- Control de defectos en la fabricación
- Mantener la rentabilidad
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