Un nuevo método para unir capas de semiconductores tan finos como unos pocos nanómetros ha dado lugar no sólo a un descubrimiento científico sino también a un nuevo tipo de transistor para dispositivos electrónicos de alta potencia. El resultado, publicado en Applied Physics Letters, ha despertado un gran interés.
El logro es el resultado de una estrecha colaboración entre científicos de la Universidad de Linköping y SweGaN, una empresa derivada de la investigación en ciencia de materiales de LiU. La empresa fabrica componentes electrónicos personalizados a partir de nitruro de galio.
El nitruro de galio, GaN, es un semiconductor utilizado para diodos emisores de luz eficientes. Sin embargo, también puede ser útil en otras aplicaciones, como transistores, ya que puede soportar temperaturas e intensidades de corriente más altas que muchos otros semiconductores. Se trata de propiedades importantes para los futuros componentes electrónicos, sobre todo para los utilizados en vehículos eléctricos.
Se permite que el vapor de nitruro de galio se condense sobre una oblea de carburo de silicio, formando una capa delgada. El método en el que un material cristalino se cultiva sobre un sustrato de otro se conoce como "epitaxia". El método se utiliza a menudo en la industria de los semiconductores, ya que proporciona una gran libertad para determinar tanto la estructura cristalina como la composición química de la película nanométrica formada.
La combinación de nitruro de galio, GaN y carburo de silicio, SiC (ambos pueden soportar fuertes campos eléctricos), garantiza que los circuitos sean adecuados para aplicaciones en las que se necesitan altas potencias.
Sin embargo, el ajuste en la superficie entre los dos materiales cristalinos, nitruro de galio y carburo de silicio, es deficiente. Los átomos terminan no coincidiendo entre sí, lo que conduce al fallo del transistor. Esto se ha solucionado mediante investigaciones que posteriormente dieron lugar a una solución comercial en la que se colocaba una capa aún más fina de nitruro de aluminio entre las dos capas.
Los ingenieros de SweGaN se dieron cuenta por casualidad de que sus transistores podían soportar intensidades de campo significativamente mayores de lo que esperaban y al principio no pudieron entender por qué. La respuesta se puede encontrar a nivel atómico: en un par de superficies intermedias críticas dentro de los componentes.
Investigadores de LiU y SweGaN, dirigidos por Lars Hultman y Jun Lu de LiU, presentan en Applied Physics Letters una explicación del fenómeno y describen un método para fabricar transistores con una capacidad aún mayor para soportar altos voltajes.
Los científicos han descubierto un mecanismo de crecimiento epitaxial previamente desconocido al que han denominado "crecimiento epitaxial transmórfico". Hace que la tensión entre las diferentes capas se absorba gradualmente en un par de capas de átomos. Esto significa que pueden hacer crecer las dos capas, nitruro de galio y nitruro de aluminio, sobre carburo de silicio de manera que se controle a nivel atómico cómo se relacionan las capas entre sí en el material. En el laboratorio han demostrado que el material resiste altas tensiones, de hasta 1.800 V. Si se aplicara esa tensión a un componente clásico basado en silicio, comenzarían a volar chispas y el transistor se destruiría.
“Felicitamos a SweGaN por comenzar a comercializar el invento. Muestra una colaboración eficiente y la utilización de los resultados de la investigación en la sociedad. Gracias al estrecho contacto que mantenemos con nuestros antiguos compañeros que ahora trabajan en la empresa, nuestra investigación rápidamente tiene repercusiones también fuera del mundo académico”, afirma Lars Hultman.
Materiales proporcionados por la Universidad de Linköping. Original escrito por Mónica Westman Svenselius. Nota: El contenido puede editarse por estilo y extensión.
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Hora de publicación: 11 de mayo de 2020