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En ese artículo, expresaron optimismo sobre las perspectivas del nitruro de galio en las entonces incipientes redes inalámbricas de banda ancha, el radar y las aplicaciones de conmutación de potencia para redes eléctricas. También se refieren a los dispositivos de GaN como"El transistor más robusto jamás creado".
Tienen razón. La amplia banda prohibida del GaN (la energía necesaria para romper los electrones ligados y facilitar la conducción) y otras cualidades nos permiten aprovechar la alta tolerancia al campo eléctrico de este material, lo que posibilita la creación de dispositivos con un rendimiento sin precedentes.
Hoy en día, el GaN es el campeón indiscutible en aplicaciones de potencia de RF de estado sólido, presente ya en radares y redes inalámbricas 5G, y pronto se generalizará en los inversores de potencia utilizados en vehículos eléctricos. Ahora incluso se pueden adquirir cargadores USB diseñados con dispositivos de GaN, que ofrecen niveles de potencia significativamente altos en un tamaño compacto.
Sin embargo, incluso si esto fuera cierto, seguimos preguntándonos: ¿existe algo mejor que el GaN? ¿Se puede hacer algo para que un amplificador de RF sea más potente y eficiente? ¿Existe alguna manera de reducir aún más el tamaño de los componentes electrónicos de potencia, aliviando así la carga en aviones y automóviles? ¿Podemos encontrar materiales con brechas de banda más amplias que aún conduzcan electricidad?
Resulta que la respuesta es sí.
De hecho, existen en el mercado materiales con múltiples brechas de banda, pero la particularidad de la mecánica cuántica hace que la mayoría de ellos difícilmente puedan utilizarse como semiconductores. Sin embargo, hay un candidato prometedor: el óxido de galio (Ga2O3), un óxido conductor transparente.
Con su amplia banda prohibida de casi 5 eV, el óxido de galio supera con creces al GaN (3.4 eV), y en comparación con el silicio (1.1 eV), la diferencia es abismal. Sabemos que el diamante y el nitruro de aluminio también tienen bandas prohibidas amplias, pero carecen de las propiedades del Ga₂O₃, un conjunto de propiedades ventajosas que permiten fabricar dispositivos potentes y económicos.
No basta con que un material tenga una banda prohibida amplia, ya que, de ser así, todos los dieléctricos y cerámicas la tendrían, razón por la cual solo podrían usarse como aislantes. Sin embargo, el óxido de galio posee una combinación única de cualidades que podrían convertirlo en un material muy útil para interruptores de potencia y electrónica de radiofrecuencia.
Ilustración: IEEE Spectrum Fuente: “Implementación de Ga2O3 para aplicaciones de electrónica de potencia” presentada por Gregg H. Jessen et al. en la 75.ª Conferencia Anual de Investigación de Dispositivos (DRC).
Entre las cinco propiedades cruciales para los semiconductores, la alta rigidez dieléctrica crítica es la mayor ventaja del óxido de galio beta. Esto podría facilitar la creación de interruptores de alto voltaje y permitir el diseño de potentes dispositivos de radiofrecuencia basados en este material. Sin embargo, la principal desventaja del óxido de galio beta es su baja conductividad térmica, lo que implica que el calor puede quedar atrapado en el interior del dispositivo.
Además, una propiedad interesante del óxido de galio es que se le pueden añadir portadores de carga para aumentar su conductividad mediante un proceso llamado dopaje. El dopaje consiste en añadir cantidades controladas de impurezas a un cristal para controlar la concentración de portadores de carga en el semiconductor. En el silicio, por ejemplo, se puede utilizar la implantación iónica seguida de un recocido para dopar el cristal con fósforo (añadiendo electrones libres) o boro (sustrayéndolos), lo que permite que las cargas se muevan libremente en su interior. En el Ga₂O₃, se añaden electrones de forma similar.
Pero si intentas utilizar este método con otros óxidos de banda prohibida ancha, acabarás con cristales potencialmente rotos y puntos en la red donde las cargas quedan atrapadas.
La adaptabilidad del óxido de galio a la adición de dopantes mediante procesos estándar (denominados implantación iónica) y durante el crecimiento epitaxial (deposición de cristales adicionales) permite aprovechar diversas tecnologías de litografía y procesamiento comerciales ya establecidas. Estos métodos facilitan la definición precisa de las dimensiones de los transistores en decenas de nanómetros y la generación de diversas topologías de dispositivos. Sin embargo, otros materiales semiconductores con amplias brechas de banda no poseen esta característica tan útil. Ni siquiera el GaN puede hacerlo.
Otra ventaja del óxido de galio es que, en general, las obleas de silicio de gran tamaño de Ga2O3 cristalino son muy fáciles de fabricar. Aunque existen varios tipos de cristales de Ga2O3, el más estable se denomina β, seguido de ε y α. Entre ellos, el β-Ga2O3 es el que ha recibido mayor atención en la investigación, principalmente gracias a los esfuerzos de instituciones como el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Tsukuba, Japón, y el Instituto Leibniz de Cristalización de Berlín.
El aspecto más atractivo del β-Ga₂O₃ es su estabilidad térmica, que permite su fabricación mediante diversas técnicas ya ampliamente utilizadas, como el método Czochralski para la fabricación de obleas de silicio. También se puede emplear una técnica de crecimiento cristalino denominada crecimiento por película con definición de borde. Actualmente, incluso es posible cultivar cristales mediante la técnica vertical de Bridgman-Stockbarger, que ofrece una alta escalabilidad.
Es difícil exagerar la diferencia que supone esta situación con respecto a otros semiconductores de banda prohibida ancha. Sin embargo, desde la perspectiva actual, a excepción del carburo de silicio (SiC), la mayoría de los semiconductores emergentes de banda prohibida ancha carecen de sustratos de gran tamaño sobre los que se puedan cultivar cristales grandes. Esto implica que deben cultivarse sobre un disco de otro material, lo que conlleva un coste. Por ejemplo, el nitruro de galio se cultiva normalmente sobre sustratos de silicio, carburo de silicio o zafiro mediante un proceso complejo. Pero la estructura cristalina de estos sustratos es obviamente diferente a la del GaN, y esta diferencia puede crear un desajuste de red entre el sustrato y el GaN, lo que da lugar a un gran número de defectos. Estos defectos causaron muchos problemas en los equipos fabricados. Dado que el Ga2O3 actúa como su propio sustrato, no existen desajustes y, por lo tanto, no hay defectos. La empresa japonesa Novel Crystal Technology ha demostrado la fabricación de β-Ga2O3 de 150 mm.
en el Instituto Japonés de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (NICT)Masataka HigashiwakiFue el primero en darse cuenta del potencial del β-Ga2O3 en aplicaciones de conmutación de potencia. En 2012, sorprendió a todo el sector de los dispositivos de potencia cuando su grupo de investigación presentó el primer transistor de β-Ga2O3 monocristalino. ¿Qué tan bueno es este producto? Por ejemplo, una de las especificaciones clave de un transistor de potencia es la tensión de ruptura, un punto crítico en el que la capacidad del semiconductor para detener el flujo de corriente se rompe. La tensión de ruptura del transistor pionero presentado por Higashiwaki es superior a 250 V. En comparación, al GaN le tomó casi dos décadas lograr este resultado.
En su trabajo pionero, Higashiwaki describió que también redujeron significativamente las pérdidas de potencia del dispositivo mediante el uso de un material con una alta intensidad de campo eléctrico crítico. Esta característica, conocida como Ec, es la verdadera ventaja del óxido de galio.
En pocas palabras, si se coloca un material entre dos conductores y se aumenta el voltaje, E c es el campo eléctrico al cual el material comienza a conducir electricidad. En muchas ocasiones, este voltaje puede tener consecuencias desastrosas. La intensidad del campo crítico del silicio se suele medir en cientos de kilovoltios por centímetro, mientras que la del Ga₂O₃ es de 8 megavoltios por centímetro.
Imagen: Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea
Héroe de alto voltaje: Este transistor de óxido de galio que se muestra en la imagen superior (en dos aumentos (a y b) y en sección transversal (c)) mantiene voltajes superiores a 200 voltios en tan solo 600 nanómetros.
Cuando se piensa en transistores de conmutación de potencia ideales, una de las mayores ventajas es que tengan una E muy alta. Idealmente, el dispositivo conmutaría instantáneamente entre dos estados: siempre encendido (conducción sin resistencia) y siempre apagado (sin conducción alguna). Estos dos extremos requieren geometrías de dispositivo muy diferentes. Para el estado apagado, se necesita una capa más gruesa de material entre la fuente y el drenador del transistor para evitar la conducción y bloquear voltajes elevados. Para el estado encendido, se necesita un área infinitamente delgada para que no presente resistencia.
Por supuesto, no se pueden tener ambas cosas. La intensidad crítica del campo eléctrico del material determina qué tan delgada puede ser la zona para que aún pueda permanecer cerrada.
El indicador clave de los semiconductores de conmutación de potencia de baja frecuencia se denomina factor de mérito Baliga, en honor a B. Jayant Baliga, galardonado con la Medalla de Honor del IEEE. Básicamente, indica la fidelidad con la que la salida del dispositivo reproduce los detalles de la señal de entrada a altos voltajes. Esta es una propiedad crucial para los transistores que funcionan como interruptores a frecuencias de hasta kilohercios. Dichos dispositivos se encuentran en equipos de subestaciones multikilovoltio, generadores de fotones de alta energía para diagnóstico por imagen médica e inversores de potencia para vehículos eléctricos y accionamientos de motores industriales.
Para todas estas aplicaciones y muchas más, el Ga2O3 presenta ventajas inherentes. A estas frecuencias, el factor de calidad es proporcional al cubo del campo eléctrico crítico. Un valor de E c tan elevado implica un buen índice de rendimiento.
Detrás de las matemáticas está el hecho de que este interruptor pasa la mayor parte del tiempo completamente encendido o completamente apagado, y muy poco tiempo alternando entre ambos estados. Por lo tanto, la mayor parte de la pérdida de potencia se debe simplemente a la corriente que fluye desde la resistencia hasta el dispositivo cuando este se enciende. Cuando E c es alto, se pueden usar componentes más delgados, lo que implica menor resistencia.
El mensaje del trabajo de Higashiwaki es simple: se pueden usar campos eléctricos potentes para lograr una conmutación de alto voltaje con poca pérdida de potencia a bajas frecuencias. Otros grupos de investigación pronto comprendieron el mensaje. Para 2013, los investigadores habían demostrado un transistor de efecto de campo de óxido metálico-semiconductor (MOSFET) con un voltaje de ruptura de 370 V. En 2016, Man Hoi Wong, entonces parte del grupo de Higashiwaki en NICT, utilizó una estructura adicional llamada recubrimiento de campo para elevar el voltaje por encima de 750 V. Entre estos dispositivos, la relativa facilidad con la que el Ga2O3 puede lograr voltajes de operación más altos es realmente notable. La investigación en materiales ha avanzado mucho en tan solo unos años, mientras que la hoja de GaN tardó décadas en desarrollarse.
¿Sería útil el Ga2O3 en aplicaciones de fuentes de alimentación de conmutación rápida? Este es otro punto que genera gran interés. Cabe destacar que la capacitancia específica (E c) también es muy importante y podría aportar grandes ventajas al Ga2O3.
A frecuencias más altas (como de 100 Hz a 1 MHz), el tiempo que tarda un dispositivo en encenderse y apagarse aumenta proporcionalmente. Las pérdidas durante la conmutación son el producto de la resistencia del dispositivo y la cantidad de carga que debe acumularse en la compuerta del transistor para conmutar. En otras palabras, a bajas frecuencias, las pérdidas son proporcionales al cuadrado de la intensidad del campo eléctrico crítico, no al cubo.
Imagen: Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea La imagen de arriba muestra el óxido de galiopotencial de aplicación de RF,Una pequeña parte (intrínseca) de este transistor de RF de óxido de galio primitivo era fundamental para su funcionamiento. Reducir la resistencia parásita en el dispositivo puede aumentar la potencia y la frecuencia.
Descubrirás que, en una aplicación tan simple como un cargador de teléfono móvil, una conmutación de potencia más rápida ofrece mayores ventajas. Una fuente de alimentación conmutada funciona rectificando primero la tensión alterna del enchufe y luego convirtiéndola en una señal de alta frecuencia. El transformador reduce la tensión al nivel requerido y, finalmente, la señal se rectifica y filtra. Los componentes más voluminosos del sistema son los transformadores y otros componentes pasivos, y solo se pueden usar componentes más pequeños a medida que aumenta la frecuencia. Si se desean frecuencias más altas, un semiconductor con una banda prohibida más amplia y un campo eléctrico crítico más elevado permitirá obtenerlas de forma más eficiente, simplificando además la disipación de calor.
Por ejemplo, un inversor de silicio de 1200 V que conmuta a 20 kHz puede proporcionar aproximadamente 3 kW de potencia. Sin embargo, al conmutar a 150 kHz, un inversor de carburo de silicio que entrega la misma potencia puede operar a una temperatura más alta en un encapsulado que ocupa un tercio del tamaño. En comparación, los inversores basados en Ga₂O₃ pueden operar a frecuencias cercanas a los megahercios y ser la mitad de pequeños (aunque esto requeriría componentes magnéticos que aún no se han inventado).
En resumen, las verdaderas propiedades electrónicas de materiales como el Ga₂O₃ se obtienen aprovechando al máximo su intensidad de campo eléctrico crítica. Pero, ¿cuál es exactamente ese valor? Hasta 2015, ningún grupo había realizado mediciones reales de la intensidad de campo que puede alcanzar este material. Al igual que con otros dispositivos, los resultados preliminares distan mucho de los límites teóricos.
Mis colegas y yo nos enfrentamos a este desafío mientras trabajamos en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson, Ohio. El primer problema que encontramos fue que cualquier dispositivo fabricado con materiales de tan alta intensidad de campo tenía el potencial de superar los límites del equipo de prueba existente. Porque, en principio, ¡materiales de 2 micras pueden bloquear más de 1.5 kV! Así que construimos un MOSFET simple cuya geometría se redujo para disminuir el voltaje. El espacio entre la puerta y el drenador, donde el campo eléctrico es más alto, es de solo 600 nanómetros. Esto se debe en parte a que facilita la medición del pico de E c, pero también porque queremos poder probar el dispositivo a frecuencias de radiofrecuencia, algo que los diseños de alto voltaje más grandes no permiten.
En esta demostración inicial, los transistores pudieron soportar 230 V, que es el límite del equipo de prueba de RF. El campo eléctrico promedio generado es de al menos 3.8 MV/cm, y las simulaciones muestran que el campo eléctrico interno máximo es de al menos 5.3 MV/cm. (Nunca observaremos los 8 MV/cm completos en un FET). Esta es la primera demostración experimental de que el Ga2O3 tiene un valor EC teórico mayor que el GaN (alrededor de 3.3 MV/cm). Dicho de otro modo, la distancia entre la compuerta y el drenador de un transistor de potencia de GaN con una tensión de funcionamiento nominal de 600 V suele ser de entre 15 y 20 µm, y nuestra longitud de onda es de 600 nm.
Tras esta conclusión, los transistores de conmutación de potencia se desarrollaron a un ritmo vertiginoso. En 2017, fabricamos MOSFET con tensiones de ruptura superiores a 600 V. A principios de 2018, los valores de pérdida de alta frecuencia obtenidos con MOSFET de diferentes geometrías alcanzaron o superaron los límites teóricos del silicio. Además, ahora tenemos un camino claro para igualar o superar los últimos valores de GaN en los próximos años.
Foto: Tecnología de cristales novedosa A diferencia de muchos semiconductores de banda prohibida ancha, las obleas de óxido de galio se pueden fabricar mediante un proceso prácticamente idéntico al de las obleas de silicio. Por lo tanto, esto significa que los dispositivos sin defectos podrían resultar relativamente económicos.
Cuando medimos el campo eléctrico de los interruptores de potencia en 2015, también especulamos que el Ga2O3 podría tener un éxito similar en los circuitos de radiofrecuencia, al permitir campos eléctricos más altos en dispositivos más pequeños. Pero en aquel momento, faltaba información clave: no existían datos publicados sobre la velocidad de los electrones en el material en función del campo eléctrico.
La velocidad de los electrones es particularmente importante en los transistores utilizados para amplificar señales de radiofrecuencia (RF). En RF, los objetivos son alta potencia de salida y alta frecuencia, y el factor de mérito de Johnson (JFOM) resume estos objetivos. El JFOM establece que el producto de la potencia y la frecuencia de un transistor de RF es proporcional al producto de la velocidad máxima de los portadores de carga en el material semiconductor y Ec. Lo fundamental aquí es que en un transistor de RF solo se obtiene amplificación si los portadores pueden fluir desde la fuente hasta el drenador antes de que cambie la polaridad de la forma de onda de RF. (La frecuencia más alta a la que esto ocurre se denomina frecuencia de ganancia de corriente unitaria, o fT).
Una vez más, el elevado campo eléctrico crítico del Ga2O3 entra en juego porque se puede reducir esa distancia crítica y, aun así, proporcionar un campo eléctrico fuerte para acelerar los electrones a su velocidad máxima.
En AFRL, logramos demostrar el primer MOSFET de RF de óxido de galio submicrométrico en 2017. Estos dispositivos ofrecen resultados impresionantes, aunque no alcanzan el nivel de los mejores en GaN. Su frecuencia de ganancia de corriente unitaria es de 3 GHz, su frecuencia de oscilación máxima es de 13 GHz y su densidad de potencia de salida es de 230 mW/mm a 800 MHz. Desde entonces, la densidad de potencia de salida de RF pulsada de AFRL ha superado los 500 mW/mm a 1 GHz, con una frecuencia de oscilación máxima cercana a los 20 GHz.
Aún más alentador es que, casi al mismo tiempo, los cálculos teóricos realizados por Krishnandu Ghosh y Uttam Singisetti (Universidad de Buffalo) demostraron que los JFOM del óxido de galio son significativamente mejores que los del nitruro de galio.
Desde la primera demostración de capacidades de RF en 2017, la tecnología RF Ga2O3 ha experimentado un progreso tremendo, primero con Sriram Krishnamoorthy y luego con el equipo de Siddharth Rajan en la Universidad Estatal de Ohio, quienes demostraron técnicas de dopaje nuevas y mejoradas. Estas tecnologías se basan en el silicio, por lo que la resistencia resultante en la lámina de material donde se produce la conducción es muy baja, alrededor de 300 ohmios por cuadrado. (Sí, esa es la unidad correcta). Esto es comparable a lo que se encuentra en los dispositivos de nitruro de galio. Poco después de lograr este resultado, Rajan e investigadores de la Universidad de California, Santa Bárbara, demostraron de forma independiente el Ga2O3 como un transistor de alta movilidad de electrones (HEMT). D: agHEMT
Este tipo de dispositivo suele estar fabricado con arseniuro de galio o nitruro de galio, y las radiofrecuencias son fundamentales tanto para teléfonos móviles como para receptores de televisión por satélite. Estos dispositivos conducen la energía mediante un gas de electrones bidimensional que se forma en la interfaz entre dos semiconductores con diferentes bandas prohibidas. En este caso, se trata de óxido de galio y aluminio y óxido de galio, similar a la tecnología HEMT de arseniuro de galio y aluminio/arseniuro de galio que se utiliza en los teléfonos inteligentes. Estos avances clave abren el camino a la expansión vertical y horizontal de los equipos de radiofrecuencia.
Si bien estos avances son alentadores, es improbable que el Ga₂O₃ compita con el arseniuro de galio (GaAs) o el GaN en todas las aplicaciones de radiofrecuencia. Como interruptor fundamentalmente bueno, esperamos que tenga ventajas en amplificadores de conmutación como los de clase D, E o F. Entre estos dispositivos, el Ga₂O₃ presenta una resistencia de encendido muy baja y puede alcanzar una eficiencia muy alta utilizando características de baja corriente y alta tensión de ruptura. Por otro lado, las aplicaciones que requieren menor impedancia y alta corriente favorecerán al GaN, principalmente debido a su mayor movilidad y densidad de portadores de carga.
SoGa2O3¿Qué retos afrontará?
Ahora bien, consideremos lo siguiente: para comparar con precisión la conductividad térmica de un material con la de un dispositivo, es necesario normalizarla según la capacidad del material para manejar potencia. En otras palabras, hay que dividir E entre C para comparar con exactitud los problemas térmicos en dispositivos reales. Al hacerlo, se observa que todos los semiconductores con una banda prohibida mayor que la del silicio presentan problemas de disipación de calor al alcanzar su máximo potencial, incluso el diamante. Si bien este hecho no beneficia mucho al Ga₂O₃, nos motiva a buscar mejores maneras de disipar el calor.
Por ejemplo, investigadores del Laboratorio NICT de Tokio mejoraron notablemente la resistencia térmica del dispositivo mediante la unión de SiC policristalino de tipo p a la parte posterior de una oblea de silicio Ga2O3 de tan solo 10 micras de espesor. Además, teniendo en cuenta que, para ciertas topologías de dispositivos, prácticamente todo el calor se genera en el µm superior del material, los investigadores del AFRL obtuvieron resultados alentadores simulando el efecto del contacto de los electrodos y utilizando rellenos dieléctricos para disipar el calor hacia un disipador térmico. Este es el truco que se utiliza actualmente en los transistores bipolares de heterounión de arseniuro de galio comerciales. Así pues, a pesar de los desafíos térmicos del Ga2O3, ingenieros brillantes están trabajando en su solución.
Otro problema, aún más fundamental, es que solo podemos lograr que el óxido de galio conduzca electrones, no huecos. Es imposible fabricar un buen conductor de tipo p a partir de Ga₂O₃. Y, para colmo, las propiedades electrónicas básicas del material no son muy prometedoras. En particular, la forma de conducción de huecos en la banda de valencia de la estructura de bandas del material es incorrecta. Por lo tanto, incluso si existe algún dopante que haga que el receptor se encuentre en el nivel de energía correcto, se espera que los huecos creados se atrapen a sí mismos antes de poder contribuir a la conducción. Cuando la teoría y los datos son tan consistentes, es difícil encontrar una solución a esta limitación.
Si bien esta vulnerabilidad plantea desafíos adicionales, no todo es un camino de rosas. Muchos dispositivos que solo funcionan con la mayoría de los operadores han tenido éxito comercial. Por ejemplo, basta con ver la cantidad de cargadores de pared USB-C que existen.
La fase de investigación de la tecnología de dispositivos de Ga2O3 acaba de alcanzar una masa crítica, y actualmente estamos planificando su aplicación para transistores de potencia de conmutación rápida y multikilovoltios, así como para dispositivos de radiofrecuencia (RF). Regularmente se presentan nuevas demostraciones de equipos de clase kilovoltio. Pronto estarán disponibles transistores de RF con dimensiones críticas del orden de los nanómetros. A medida que avancemos en esta tecnología, creemos que podremos lograr topologías de dispositivos que hasta ahora no habían sido posibles con ningún otro material.
Por supuesto, vamos a encontrar algunos fallos (principalmente en los dieléctricos) durante el proceso. Pero esa es la esencia de la tecnología disruptiva: sacrificamos lo que sabemos por un rendimiento potencial. Actualmente, en el caso del Ga2O3, el potencial de rendimiento supera con creces los problemas.
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