Etiqueta: nitruro de galio

Son tiempos emocionantes para la electrónica de potencia. Después de décadas de dominio del silicio, dos materiales más nuevos (carburo de silicio y nitruro de galio) han comenzado a apoderarse de mercados multimillonarios. El carburo de silicio es ahora el semiconductor elegido para inversores y cargadores de vehículos eléctricos, por ejemplo. Y si últimamente ha comprado un cargador de pared para su teléfono inteligente o computadora portátil, es muy probable que utilice nitruro de galio. Los materiales más nuevos, conocidos como semiconductores de banda prohibida ancha, se están apoderando de estas y otras aplicaciones de la electrónica de potencia porque ofrecen muchas características superiores. Y, sin embargo, las tecnologías de banda ancha todavía tienen debilidades fundamentales. Para un transistor de carburo de silicio, uno de los más importantes es la movilidad relativamente baja de los electrones en el canal, el área debajo de la puerta del dispositivo a través de la cual fluye la corriente entre la fuente y el drenaje. Esa baja movilidad impide que los transistores de SiC conmuten a velocidades elevadas. Eso, a su vez, limita su eficiencia en aplicaciones como la conversión entre corriente alterna y corriente continua. Los transistores de nitruro de galio, por otro lado, tienen una peculiaridad conocida como «resistencia dinámica», lo que significa que cuando el dispositivo conduce corriente, la resistencia del dispositivo depende del voltaje; un voltaje más alto significa una resistencia mayor. Otro problema con GaN es que el tamaño físico del dispositivo, y por lo tanto su costo, aumenta a medida que lo hace su capacidad de bloqueo de voltaje, una capacidad clave para dispositivos que se espera que enciendan y apaguen voltajes que son muchas veces más altos que los que se encuentran en su interior. digamos, una computadora típica. ¿Qué pasaría si pudiera combinar GaN y SiC en un solo dispositivo que minimice las debilidades de cada uno y maximice sus fortalezas? Ésa es la pregunta que impulsó a un equipo de 16 investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong y de otras tres instituciones de China. Después de años de trabajo, finalmente consiguieron el éxito al fabricar un transistor, al que llaman transistor híbrido de efecto de campo, o HyFET. Describieron su trabajo en un documento presentado en la Reunión Internacional de Dispositivos Electrónicos del IEEE, celebrada el pasado mes de diciembre en San Francisco. Una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) de un HyFET, mirando hacia el dispositivo [a]Muestra claramente la puerta y una fuente. Una imagen SEM transversal del HyFET [b] Muestra el transistor de nitruro de galio en la parte superior y el carburo de silicio debajo. Otras imágenes SEM muestran la región de puerta del dispositivo GaN [c]y el canal del transistor SiC [d and e]. Los expertos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong en semiconductores de banda ancha que no participaron en la investigación quedaron impresionados con el logro técnico. «De hecho, estoy muy entusiasmado con los resultados del grupo de Kevin Chen en Hong Kong», dijo Debdeep Jena, miembro del IEEE, profesor y líder de laboratorio en la Universidad de Cornell. «Tiene mucho mérito y promesa». Sin embargo, las opiniones de estos expertos sobre las perspectivas comerciales del dispositivo fueron en general más prudentes. En funcionamiento, el dispositivo utiliza un transistor GaN de alta velocidad y bajo voltaje para controlar un transistor de efecto de campo de unión de SiC (JFET) de alto voltaje. En un JFET de SiC convencional, el drenaje está en la parte inferior del dispositivo, conectado al sustrato. La corriente fluye verticalmente, controlada por una puerta en la parte superior del dispositivo, a través de una «capa de deriva» hacia uno o más terminales fuente, también en la parte superior del dispositivo. En el FET híbrido, esa configuración básica es reconocible: hay un drenaje en la parte inferior del dispositivo, conectado al sustrato. La corriente fluye hacia arriba a través de una capa de deriva de SiC. Sin embargo, los terminales de puerta y fuente están en un transistor GaN integrado directamente encima del JFET de SiC, en la parte superior del dispositivo. Entonces, la corriente que fluye a través del JFET de SiC está controlada por una puerta y terminales de fuente que se encuentran en la parte GaN del dispositivo. La ventaja aquí es que es el transistor GaN, con su alta movilidad de electrones, el que controla la conmutación del combinado. dispositivo. Y construido sobre la base del SiC JFET, con su gran región de deriva, el dispositivo combinado tiene las capacidades de bloqueo de voltaje del SiC. Las pruebas indicaron que el dispositivo cumplió en gran medida las expectativas de los investigadores. Aunque la movilidad no es tan alta como la de un dispositivo GaN convencional, es «adecuado para conmutación de alta frecuencia», descubrieron. También demostraron que en estado «apagado» el dispositivo podía bloquear alrededor de 600 voltios, dependiendo de la temperatura, lo cual no está mal para un dispositivo experimental, el primero de su tipo. Hubo que superar muchos desafíos para fabricar el dispositivo. Uno de los principales fue hacer crecer un transistor de GaN directamente encima de uno de SiC. Los dispositivos de nitruro de galio se fabrican habitualmente sobre sustratos de SiC. Sin embargo, estos dispositivos crecen «sobre un eje», lo que significa que crecen capa por capa, con cada capa paralela al sustrato. Pero los dispositivos de SiC normalmente crecen fuera de eje con respecto a la orientación de la red cristalina de su sustrato. Así que los investigadores tuvieron que idear un medio para hacer crecer un transistor de GaN encima de un dispositivo de SiC con una desviación del eje, o «mal corte», de 4 grados. Para ello, desarrollaron una técnica que denominan «biaxial de dos pasos». liberación de tensión”. Un problema fundamental con las interfaces entre dos semiconductores diferentes es la tensión creada en el límite donde se fusionan los dos cristales diferentes. Esta tensión puede crear imperfecciones en la red que afectan el rendimiento, llamadas dislocaciones. La técnica refinada y explotada por los investigadores libera la tensión a través de dos tipos específicos de dislocaciones, minimizando sus efectos perjudiciales. Una de las debilidades del FET híbrido es su resistencia al flujo de corriente cuando el transistor está encendido. Este valor, llamado Ron, es bastante alto, alrededor de 50 megaohmios por cm2. Un Ron más alto significa una eficiencia general más baja. Por supuesto, el FET híbrido es literalmente el primero de su tipo, construido en un laboratorio universitario. «El Ron grande de nuestro artículo es el resultado de un dispositivo pequeño… y un diseño muy conservador en la porción de SiC», escribió el autor, y Miembro del IEEE, Kevin Chen en un correo electrónico. «En general, no existen obstáculos adicionales para la realización de 3 mΩ∙cm2 (~2,6) para un HyFET de 1200 V con instalaciones industriales de fabricación de SiC». Las imágenes de escaneo electrónico muestran un agujero, o una vía, en la porción de nitruro de galio del dispositivo. [a]. Cuando está lleno de metal [c]estas vías se convierten en vías conductoras que permiten que la corriente fluya entre las porciones de nitruro de galio y carburo de silicio del dispositivo. Una imagen obtenida con microscopía de fuerza atómica. [b] muestra la superficie de una capa de carburo de silicio. Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong. Sin embargo, a modo de comparación, un transistor de SiC o GaN de última generación capaz de bloquear más de 600 voltios puede tener un Ron tan bajo como 2 mΩ∙cm2. , señala B. Jayant Baliga, miembro vitalicio del IEEE, inventor del transistor bipolar de puerta aislada y profesor universitario distinguido de ingeniería eléctrica en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. Dadas estas cifras, Baliga se pregunta cuánta demanda habría de un FET híbrido comercial, cuando estuvieran disponibles transistores de SiC mucho más simples y, probablemente, más baratos. «¿Qué motivaría a alguien a cambiar a algo mucho más complicado, con todas estas capas en crecimiento, si la resistencia específica no se reduce por debajo de la del MOSFET de carburo de silicio?» (FET de semiconductores de óxido metálico), preguntó Baliga. El miembro del IEEE Umesh Mishra, decano de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de California en Santa Bárbara y pionero en dispositivos de potencia GaN, cuestionó si las ventajas de integrar dos semiconductores diferentes en un solo dispositivo (minúsculos retrasos inductivos y pérdidas capacitivas) valieron la pena los costos en complejidad de fabricación y otros factores. Para fabricar un dispositivo de este tipo, una empresa «ahora debe tener dos tecnologías que estén ejecutando en la fábrica», señala. “Tienen que tener tecnología de carburo de silicio y tecnología de nitruro de galio. Nadie quiere hacer eso porque ahora tienes dos tecnologías complicadas que estás tratando de ejecutar simultáneamente”, una propuesta costosa. “Escalar algo difícil siempre es difícil”, añade Mishra. «Entonces la pregunta es, ¿cuál es su beneficio?» Mishra señala que la mayoría de las ventajas del dispositivo combinado podrían obtenerse a un costo mucho menor simplemente conectando los dos transistores diferentes en un solo paquete, en lugar de integrarlos en un solo dispositivo híbrido. El autor Chen, sin embargo, sugirió que las características electrónicas no deseadas, particularmente una debilidad llamada inductancia parásita, afectarían a los transistores que simplemente están empaquetados juntos en lugar de integrados. «Una inductancia parásita más baja minimiza la oscilación de conmutación y reduce la pérdida de conmutación», escribió en su correo electrónico. «Las técnicas avanzadas de empaquetado conjunto podrían reducir la inductancia parásita hasta cierto punto, pero pueden no ser tan rentables como el dispositivo integrado (realizado en un proceso por lotes)». Jena, de Cornell, señaló que un obstáculo potencialmente insuperable para el híbrido FET es la tasa de avance de los dispositivos GaN, en particular. En el futuro previsible, afirma, GaN será tan capaz que probablemente no necesitará esquemas híbridos para triunfar. «La física me dice que el GaN es el ganador a largo plazo», afirma. “No quiero quitarle nada a la [Hybrid FET] papel. Es un gran artículo. Pero todo lo que han demostrado aquí también será posible en el futuro con nitruro de galio”, concluye.

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