Tres investigaciones recientes presentan soluciones diferentes para problemas clave que limitan el uso del nitruro de galio (GaN) en la electrónica de potencia y las comunicaciones: soportar altos voltajes, reducir la resistencia de contacto y gestionar el calor. Los resultados proceden de equipos de investigación dirigidos por instituciones como la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y las universidades de Nagoya, Cornell, Georgia Tech y Penn State, además de instituciones de investigación chinas.
Un transistor que soporta cerca de 4 kilovoltios
Investigadores de la EPFL desarrollaron una nueva clase de transistores de GaN que denominaron intrinsic polarization superjunction (iPSJ). El dispositivo, fabricado con capas de GaN sobre una base de silicio de bajo coste, soportó un voltaje cercano a 4 kilovoltios antes de la ruptura, manteniendo una baja resistencia, según indicó el equipo.
El diseño se basa en el efecto de polarización natural del GaN para crear dos matrices paralelas de cargas positivas y electrones. Ajustar el grosor de las capas permite equilibrar las dos cargas, lo que evita la acumulación de carga excesiva cuando se apaga el transistor y ayuda a distribuir el voltaje uniformemente a lo largo del dispositivo. El enfoque también elimina la necesidad de dopaje químico. Los investigadores lo comparan con los transistores de GaN convencionales, que normalmente fallan alrededor de los 600 a 650 voltios.
El equipo considera que soportar el voltaje en un amplio rango térmico podría hacer que la tecnología fuera adecuada para sistemas de vehículos eléctricos y sistemas de potencia industriales, pero el material presentado aún no demuestra que estos dispositivos estén listos para la producción comercial.
Reducción de la resistencia de los contactos p-GaN
En otra línea, investigadores de Nagoya University, el MIT, Cornell University, City University of Hong Kong y Chinese Academy of Sciences redujeron la resistencia de los contactos de GaN de tipo p depositando una capa ultrafina de magnesio sobre la superficie de p-GaN y calentándola a 600 grados Celsius durante cinco minutos.
El método logró una resistividad de contacto específica de (1–3) × 10⁻⁴ Ω cm², una de las cifras más bajas comunicadas por la investigación para contactos finos de p-GaN, según el equipo. Evitaron utilizar una capa gruesa de magnesio para impedir la rugosidad de la superficie, mientras que las muestras delgadas mostraron que la oxidación se limitaba a la capa superficial superior incluso con un grosor de 10 nanómetros.
Durante el breve tratamiento térmico, el magnesio se difunde en la región superficial y estrecha la zona de agotamiento, lo que favorece el paso de huecos por efecto túnel y reduce la resistencia. Los investigadores afirman que el proceso es más sencillo, rápido y barato que el crecimiento cristalino de abajo arriba, y trabajan en su aplicación en LED y transistores de potencia para vehículos eléctricos.
El diamante como capa para distribuir el calor
El tercer estudio, realizado por el MIT, Georgia Tech y Penn State, integró transistores de GaN dentro de una capa ultrafina de diamante monocristalino. La capa actúa como un distribuidor térmico que equilibra las temperaturas entre el GaN y el silicio, lo que permite al dispositivo acercarse a su rendimiento máximo sin sacrificar la fiabilidad.
El proceso comienza cortando pequeñas láminas de GaN de una oblea y, después, grabando cavidades en el diamante mediante un láser de femtosegundos. Tras colocar una capa de fijación dentro de las cavidades e introducir las láminas, se aplican calor y presión; posteriormente, se añaden capas aislantes y metálicas sobre la estructura. El equipo utilizó la técnica para fabricar un amplificador de potencia inalámbrico de 4 vatios destinado a aplicaciones 6G en la banda FR3.
Las posibles aplicaciones podrían extenderse a radares de alta potencia, comunicaciones espaciales, drones industriales y conversión de potencia en centros de datos. En la práctica, los resultados muestran que la mejora del GaN no depende únicamente del material del canal; las interconexiones, la gestión térmica y el encapsulado también pueden determinar si el rendimiento teórico puede utilizarse en un sistema real.