Três pesquisas recentes apresentam soluções diferentes para problemas fundamentais que limitam o uso do nitreto de gálio (GaN) na eletrônica de potência e nas comunicações: suportar alta tensão, reduzir a resistência de contato e gerenciar o calor. Os resultados vêm de equipes de pesquisa lideradas por instituições como a Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL) e o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), além das universidades de Nagoya, Cornell, Georgia Tech e Penn State e de instituições de pesquisa chinesas.
Transistor que suporta quase 4 quilovolts
Pesquisadores da EPFL desenvolveram uma nova classe de transistores de GaN, denominada intrinsic polarization superjunction (iPSJ). O dispositivo, fabricado com camadas de GaN sobre uma base de silício de baixo custo, suportou uma tensão próxima de 4 quilovolts antes da ruptura, mantendo baixa resistência, segundo a equipe.
O projeto baseia-se no efeito da polarização natural do GaN para criar dois conjuntos paralelos de cargas positivas e elétrons. O ajuste da espessura das camadas equilibra as duas cargas, impedindo o acúmulo de carga excedente quando o transistor é desligado e ajudando a distribuir a tensão uniformemente ao longo do dispositivo. A abordagem também elimina a necessidade de dopagem química. Os pesquisadores comparam esse resultado aos transistores de GaN tradicionais, que normalmente entram em ruptura em cerca de 600 a 650 volts.
A equipe considera que a capacidade de suportar tensão em uma ampla faixa térmica pode tornar a tecnologia adequada para sistemas de veículos elétricos e sistemas industriais de potência, mas o material apresentado ainda não comprova que esses dispositivos estejam prontos para a produção comercial.
Redução da resistência dos contatos de p-GaN
Em outra abordagem, pesquisadores da Nagoya University, do MIT, da Cornell University, da City University of Hong Kong e da Chinese Academy of Sciences reduziram a resistência dos contatos de GaN do tipo p depositando uma camada ultrafina de magnésio sobre a superfície de p-GaN e aquecendo-a a 600 graus Celsius durante cinco minutos.
O método alcançou uma resistência de contato específica entre (1–3) × 10⁻⁴ Ω cm², uma das menores já registradas pela pesquisa para contatos finos de p-GaN, segundo a equipe. O uso de uma camada espessa de magnésio evitou a rugosidade da superfície, enquanto as amostras finas mostraram que a oxidação ficou restrita à camada superficial superior mesmo com uma espessura de 10 nanômetros.
Durante o curto tratamento térmico, o magnésio se difunde na região superficial e estreita a região de depleção, favorecendo o tunelamento de lacunas e reduzindo a resistência. Os pesquisadores afirmam que o processo é mais simples, rápido e barato do que o crescimento cristalino de baixo para cima, e trabalham para aplicá-lo em LEDs e transistores de potência para veículos elétricos.
O diamante como camada de distribuição de calor
Já a terceira pesquisa, do MIT, da Georgia Tech e da Penn State, integrou transistores de GaN em uma camada ultrafina de diamante monocristalino. A camada atua como um espalhador térmico que equilibra as temperaturas entre o GaN e o silício, permitindo que o dispositivo se aproxime do desempenho máximo sem sacrificar a confiabilidade.
O processo começa com o corte de pequenas lâminas de GaN a partir de uma pastilha, seguido pela escavação de cavidades no diamante usando um laser de femtossegundo. Depois que uma camada de fixação é colocada nas cavidades e as lâminas são inseridas, são aplicados calor e pressão; em seguida, camadas isolantes e metálicas são adicionadas sobre a estrutura. A equipe utilizou a técnica para fabricar um amplificador de potência sem fio de 4 watts destinado a aplicações 6G na banda FR3.
As possíveis aplicações podem se estender a radares de alta potência, comunicações espaciais, drones industriais e conversão de potência em data centers. Na prática, os resultados mostram que o aprimoramento do GaN não depende apenas do material do canal; as interconexões, o calor e o encapsulamento também podem determinar se o desempenho teórico é utilizável em um sistema real.