Un nuevo método para ensamblar capas de semiconductores de tan solo unos pocos nanómetros de espesor ha dado como resultado no solo un descubrimiento científico, sino también un nuevo tipo de transistor para dispositivos electrónicos de alta potencia. El resultado, publicado en Applied Physics Letters, ha despertado un enorme interés.
Este logro es fruto de una estrecha colaboración entre científicos de la Universidad de Linköping y SweGaN, una empresa derivada de la investigación en ciencia de materiales de dicha universidad. La empresa fabrica componentes electrónicos a medida a partir de nitruro de galio.
El nitruro de galio (GaN) es un semiconductor utilizado en diodos emisores de luz (LED) de alta eficiencia. Sin embargo, también puede ser útil en otras aplicaciones, como transistores, ya que soporta temperaturas y corrientes más elevadas que muchos otros semiconductores. Estas propiedades son importantes para los futuros componentes electrónicos, especialmente para los utilizados en vehículos eléctricos.
Se deja condensar vapor de nitruro de galio sobre una oblea de carburo de silicio, formando un recubrimiento delgado. El método mediante el cual un material cristalino crece sobre el sustrato de otro se conoce como epitaxia. Este método se utiliza con frecuencia en la industria de los semiconductores, ya que ofrece 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 capaces de soportar campos eléctricos intensos) garantiza que los circuitos sean adecuados para aplicaciones que requieren alta potencia.
Sin embargo, el ajuste superficial entre los dos materiales cristalinos, nitruro de galio y carburo de silicio, es deficiente. Los átomos terminan desalineados, lo que provoca el fallo del transistor. Este problema se ha abordado mediante investigaciones que posteriormente dieron lugar a una solución comercial, en la que se colocó una capa aún más delgada de nitruro de aluminio entre las dos capas.
Los ingenieros de SweGaN descubrieron por casualidad que sus transistores podían soportar campos magnéticos mucho más intensos de lo esperado, y al principio no comprendían el motivo. La respuesta se encuentra a nivel atómico: en un par de superficies intermedias críticas dentro de los componentes.
Investigadores de LiU y SweGaN, liderados 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 hasta ahora desconocido, al que han denominado «crecimiento epitaxial transmórfico». Este mecanismo provoca que la tensión entre las diferentes capas se absorba gradualmente a través de varias capas de átomos. Esto significa que pueden cultivar las dos capas, nitruro de galio y nitruro de aluminio, sobre carburo de silicio de forma que se controle a nivel atómico la relación entre las capas en el material. En el laboratorio, han demostrado que el material soporta altos voltajes, de hasta 1800 V. Si se aplicara un voltaje similar a un componente clásico de silicio, saltarían chispas y el transistor quedaría destruido.
«Felicitamos a SweGaN por el lanzamiento comercial de su invento. Esto demuestra una colaboración eficaz y la aplicación de los resultados de la investigación en la sociedad. Gracias al estrecho contacto que mantenemos con nuestros antiguos compañeros, que ahora trabajan para la empresa, nuestra investigación tiene rápidamente un impacto también fuera del ámbito académico», afirma Lars Hultman.
Materiales proporcionados por la Universidad de Linköping. Texto original de Monica Westman Svenselius. Nota: El contenido puede haber sido editado para ajustarse al estilo y la extensión.
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Fecha de publicación: 11 de mayo de 2020