¿Qué es el nitruro de galio (GaN)?

El nitruro de galio es un material semiconductor de banda prohibida directa que se utiliza para fabricar dispositivos semiconductores como transistores y diodos. Este compuesto de alto rendimiento apareció por primera vez en el mercado de la electrónica de potencia en la década de 1990 como componente vital de los diodos emisores de luz (LED). El GaN tiene una banda prohibida especialmente amplia, de 3,2 eV, lo que le permite manejar voltajes muy altos y funcionar a temperaturas elevadas.

Puede utilizarse para una amplia gama de aplicaciones -desde dispositivos optoelectrónicos hasta radiocomunicaciones de alta frecuencia- y constantemente se encuentran nuevos usos para este material semiconductor eficiente y de gran potencia.

Las aplicaciones actuales del GaN incluyen:

• Láseres y aplicaciones fotónicas como los diodos emisores de luz (LEDs)

• Células solares para sistemas fotovoltaicos

• Transistores endurecidos por radiación para satélites.transistores reforzados contra la radiación para satélites

• Componentes de radiofrecuencia como amplificadores de potencia de RF

• Transmisión inalámbrica de energía, e.por ejemplo, cargadores inalámbricos para teléfonos, ordenadores portátiles, mandos de consolas de juegos, bombas cardíacas y otras aplicaciones médicas

• Convertidores CC-CC para aplicaciones de comunicación de datos, por ejemplo, granjas de servidores y centros de telecomunicaciones centralizados

• LiDar (detección y alcance de luz), por ejemplo dispositivos en coches autónomos que miden distancias mediante láseres

• Imagen y detección, por ejemplo, amplificadores de potencia para dispositivos de microondas y terahercios (ThZ)

GaN frente a silicio

Antes de que el GaN despegara, el silicio había sido durante mucho tiempo el material más utilizado para fabricar semiconductores. La invención del MOSFET de silicio (transistor de efecto fiel de metal-óxido-silicio) revolucionó la informática y abrió el camino a la era digital. Ahora, tras décadas de dominio, parece que el silicio puede haber tocado techo. Según los expertos en nitruro de galio de GaN Systems, «estamos alcanzando el límite teórico de la mejora de los MOSFET de silicio y de su eficiencia energética».

Un vistazo a las propiedades y capacidades de los dos semiconductores sugiere que el recién llegado de alto rendimiento acabará desbancando al silicio. Al comparar el GaN y el silicio, el bandgap es un buen punto de partida. El bandgap del GaN es de 3,4 eV, mientras que el del silicio es de sólo 1,12 eV. Esto significa que los semiconductores de GaN pueden sostener voltajes más altos y sobrevivir a temperaturas más elevadas que los MOSFET de silicio. La corriente puede viajar más rápido a través de los semiconductores de GaN, lo que garantiza una mayor eficiencia y menos pérdidas de conmutación cuando se utilizan en aplicaciones de conmutación dura. Tienen menos capacitancia que los MOSFET de silicio, lo que significa que se pierde menos energía cuando los dispositivos se cargan y descargan. Los semiconductores de GaN también ocupan menos espacio en las placas de circuitos, lo que permite fabricar aparatos electrónicos cada vez más pequeños.

El coste es otro factor clave. Es posible cultivar cristales de nitruro de galio sobre el silicio, por lo que pueden producirse en las instalaciones de fabricación de silicio existentes y no requieren costosos centros de producción especializados. Aunque la producción de cristales de nitruro de galio sigue siendo más cara que la del silicio, los semiconductores de GaN reducen los costes totales de producción de un sistema al disminuir el tamaño y el coste de otros componentes.

La velocidad y la eficiencia superiores de los semiconductores de GaN también los hacen más adecuados para cumplir las normativas sobre contaminación ambiental que se exigen para mitigar el cambio climático.

¿Hay algo que el GaN no pueda hacer?

En lo que respecta a los dispositivos semiconductores, el GaN parece cumplir todos los requisitos. Sin embargo, a pesar de su uso generalizado en diversos sectores, todavía hay varias aplicaciones que no domina.

Aunque los dispositivos semiconductores de GaN se han hecho indispensables para aplicaciones optoelectrónicas y de alta frecuencia, por ejemplo, los transistores de GaN todavía no son tan versátiles como los MOSFET de silicio. El problema radica en que la mayoría de los transistores de GaN son transistores en modo de agotamiento o «normalmente encendidos». Según la revista Power Electronics, «los transistores en modo de agotamiento son un inconveniente porque al poner en marcha un convertidor de potencia hay que aplicar primero una polarización negativa a los dispositivos de potencia o se producirá un cortocircuito». También hay que tener en cuenta que los circuitos electrónicos suelen necesitar transistores en modo de agotamiento y en modo de mejora. Sin embargo, ya se han desarrollado soluciones para este problema y seguramente es sólo cuestión de tiempo que los semiconductores de GaN aparezcan en más productos e industrias.