Nitruro de galio

Nitruro de galio (GaN) es un semiconductor binario de banda prohibida directa III/V comúnmente utilizado en luz azul. diodos emisores de luz 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 dispositivos optoelectrónicos, de alta potencia y de alta frecuencia. Por ejemplo, GaN es el sustrato que hace posibles los diodos láser violetas (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 paneles 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.

Debido a que los transistores GaN pueden funcionar a temperaturas mucho más altas y 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. Debido a la alta densidad de potencia y los límites de ruptura de voltaje, GaN también se está convirtiendo en un candidato prometedor para aplicaciones de estaciones base celulares 5G. Desde principios de la década de 2020, los transistores de potencia de GaN se han utilizado cada vez más en fuentes de alimentación de equipos electrónicos, convirtiendo la electricidad de la red de CA en CC de bajo voltaje.

Propiedades físicas

GaN es un material semiconductor de banda ancha muy duro (dureza Knoop 14,21 GPa), mecánicamente estable y con alta capacidad calorífica y conductividad térmica. En su forma pura resiste el agrietamiento y puede depositarse en una película delgada sobre zafiro o carburo de silicio, a pesar de la falta de coincidencia en sus constantes reticulares. El GaN se puede dopar con silicio (Si) o con oxígeno para el tipo n y con magnesio (Mg) para el tipo p. Sin embargo, los átomos de Si y Mg cambian la forma en que crecen los cristales de GaN, introduciendo tensiones de tracción y volviéndolos quebradizos. 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.

El Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARL) proporcionó la primera medición de la velocidad de los electrones de campo alto en GaN en 1999. Los científicos del ARL obtuvieron experimentalmente una velocidad máxima en estado estacionario de 1,9 x 10⁷ cm. /s, con un tiempo de tránsito de 2,5 picosegundos, alcanzado en un campo eléctrico de 225 kV/cm. Con esta información se calculó la movilidad de los electrones, proporcionando así 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.

Una de las primeras síntesis de nitruro de galio fue realizada por Robert Juza y Harry Hahn en 1938.

Se puede obtener GaN con una alta calidad cristalina depositando una capa tampón a bajas temperaturas. Este GaN de alta calidad condujo al descubrimiento del GaN tipo p, los LED azules/UV de unión p-n y la emisión estimulada a temperatura ambiente (esencial para la acción del láser). 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 nitruro, como detectores UV y transistores de efecto de campo de alta velocidad.

LED

Los diodos emisores de luz (LED) 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 utilizaron una fina película de GaN depositada mediante epitaxia metalorgánica en fase de vapor (MOVPE) sobre zafiro. Otros sustratos utilizados son el óxido de zinc, con un desajuste de constante de red de sólo el 2% y el carburo de silicio (SiC). 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 GaN y circuitos integrados de potencia

Los muy altos voltajes de ruptura, la alta movilidad de los electrones y la velocidad de saturación del GaN también lo han convertido en un candidato ideal para aplicaciones de microondas de alta potencia y alta temperatura, como lo demuestra su alta cifra de mérito de Johnson. Los mercados potenciales para dispositivos de alta potencia y alta frecuencia basados en GaN incluyen amplificadores de potencia de radiofrecuencia de microondas (como los utilizados en la transmisión inalámbrica de datos de alta velocidad) y dispositivos de conmutación de alto voltaje para redes eléctricas. Una posible aplicación en el mercado masivo de los transistores de RF basados en GaN es como fuente de microondas para hornos 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) que los transistores de silicio (~150 °C) 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 metálicos de nitruro de galio (GaN MESFET) se demostraron experimentalmente en 1993 y se están desarrollando activamente.

En 2010, los primeros transistores GaN en modo mejorado estuvieron disponibles de forma generalizada. Sólo estaban disponibles transistores de canal n. Estos dispositivos fueron diseñados para reemplazar los MOSFET de potencia en aplicaciones donde la velocidad de conmutación o la eficiencia de conversión de energía son críticas. Estos transistores se construyen haciendo crecer una fina capa de GaN sobre una oblea de silicio estándar, a menudo denominada GaN-on-Si por los fabricantes. 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. Otra solución aparentemente viable para realizar HFET de canal de GaN en modo mejorado es emplear una capa de AlInGaN cuaternario de celosía de desajuste de polarización espontánea aceptablemente baja con GaN.

Los circuitos integrados de potencia de GaN integran monolíticamente un FET de GaN, un circuito de accionamiento basado en GaN y protección de circuito en un único dispositivo de montaje en superficie. La integración significa que el circuito de accionamiento de puerta tiene esencialmente impedancia cero, lo que mejora aún más la eficiencia al eliminar prácticamente las pérdidas de apagado del FET. Los estudios académicos sobre la creación de circuitos integrados de energía 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 energía GaN comenzó en 2018.

Lógica CMOS

En 2016, se informó de 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).

Aplicaciones

LED y láseres

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 banda prohibida que depende de la relación de In o Al con respecto a GaN permite fabricar diodos emisores de luz (LED) con colores que pueden ir del rojo al ultravioleta..

Transistores y circuitos integrados de potencia

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

Los HEMT de GaN se ofrecen comercialmente desde 2006 y han encontrado un uso inmediato en diversas aplicaciones de infraestructura inalámbrica debido a su alta eficiencia y funcionamiento de alto voltaje. Una segunda generación de dispositivos con longitudes de puerta más cortas abordará aplicaciones aeroespaciales y de telecomunicaciones de mayor frecuencia.

Los transistores MOSFET y MESFET basados en GaN también ofrecen ventajas, incluida una menor pérdida en electrónica de alta potencia, especialmente en aplicaciones automotrices y de automóviles eléctricos. Desde 2008, estos se pueden formar sobre un sustrato de silicio. También se han fabricado diodos de barrera Schottky (SBD) de alto voltaje (800 V).

La mayor eficiencia y la alta densidad de potencia de los circuitos integrados de potencia de GaN integrados les permiten reducir el tamaño, el peso y el número de componentes de aplicaciones que incluyen cargadores de dispositivos móviles y portátiles, electrónica 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 solo en aplicaciones de consumo sino incluso en empresas de servicios públicos de transmisión de energía.

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

• la implantación de iones fluorinos bajo la puerta (la carga negativa de los iones F favorece el agotamiento del canal)
• el uso de una pila de puertas tipo MIS, con receso del AlGaN
• la integración de un par de cascada constituido por un transistor GaN normalmente sobre y un silicio de baja tensión MOSFET
• el uso de una capa de tipo p en la parte superior de la heterojunción AlGaN/GaN

Radar

También se utilizan en electrónica militar, como radares activos escaneados electrónicamente.

Thales Group presentó el radar Ground Master 400 en 2010 utilizando tecnología GaN. En 2021, Thales puso en funcionamiento más de 50.000 transmisores GaN en sistemas de radar.

El Ejército de EE. UU. financió a Lockheed Martin para incorporar 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. 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. El sistema de radar AN/TPQ-53 proporcionó un rendimiento mejorado, mayor movilidad, mayor confiabilidad y capacidad de soporte, menor costo de ciclo de vida y tamaño de tripulación reducido en comparación con los sistemas AN/TPQ-36 y AN/TPQ-37.

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

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

Nanoescala

Los nanotubos y nanocables de GaN se proponen para aplicaciones en electrónica a nanoescala, optoelectrónica y aplicaciones de detección bioquímica.

Potencial de la espintrónica

Cuando se dopa con un metal de transición adecuado, como el manganeso, el GaN es un material espintrónico prometedor (semiconductores magnéticos).

Síntesis

Sustratos a granel

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

2 Ga + 2 NH₃ → 2 GaN + 3 H₂

Ga₂O₃ + 2 NH₃ → 2 GaN + 3 H₂O

El nitruro de galio también se puede sintetizar inyectando gas amoniaco en galio fundido a 900-980 °C a presión atmosférica normal.

Epitaxia en fase vapor metal-orgánica

MOVPE cultiva LED azules, blancos y ultravioleta a escala industrial. Los precursores son amoníaco con trimetilgalio o trietilgalio, siendo el gas portador nitrógeno o hidrógeno. La temperatura de crecimiento oscila entre 800 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 haz molecular

Comercialmente, los cristales de GaN se pueden cultivar mediante epitaxia de haz molecular o epitaxia en fase de vapor metalorgánica. Este proceso se puede modificar aún más para reducir las densidades de dislocación. Primero, se aplica un haz de iones a la superficie de crecimiento para crear una rugosidad a nanoescala. Luego, se pule la superficie. Este proceso tiene lugar en el 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 poliméricos en estado sólido que no contienen disolventes y no requieren radiación antes del pulido.

Seguridad

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 la higiene industrial de las fuentes de MOVPE.

El GaN a granel no es tóxico y es biocompatible. Por tanto, puede utilizarse en electrodos y electrónica de implantes en organismos vivos.