El postdoc del MIT, Yuhao Zhang, maneja una oblea con cientos de dispositivos verticales de nitruro de galio fabricados a partir de la línea de producción de Microsystems Technology Laboratories. El nuevo diseño podría reducir drásticamente el desperdicio de energía en vehículos eléctricos, centros de datos y la red eléctrica.
La electrónica de potencia, que hace cosas como modificar voltajes o convertir entre corriente continua y alterna, está en todas partes. Están en los ladrillos de poder que usamos para cargar nuestros dispositivos portátiles; están en los paquetes de baterías de autos eléctricos; y están en la propia red eléctrica, donde median entre las líneas de transmisión de alta tensión y los voltajes más bajos de los enchufes eléctricos domésticos.
La conversión de energía es intrínsecamente ineficiente: un convertidor de potencia nunca generará tanta energía como lo requiera. Pero recientemente, los convertidores de energía hechos de nitruro de galio han comenzado a llegar al mercado, con mayores eficiencias y tamaños más pequeños que la energía convencional basada en silicio convertidores.
Sin embargo, los dispositivos eléctricos de nitruro de galio comercial no pueden manejar voltajes superiores a 600 voltios, lo que limita su uso a la electrónica doméstica.
En la Reunión Internacional de Dispositivos Electrónicos del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, investigadores del MIT, la empresa de semiconductores IQE, la Universidad de Columbia, IBM y la Alianza Singapur-MIT para Investigación y Tecnología presentaron un nuevo diseño que, en pruebas, permitió dispositivos de alimentación de nitruro de galio para manejar voltajes de 1,200 voltios.
Esa ya es suficiente capacidad para su uso en vehículos eléctricos, pero los investigadores enfatizan que su dispositivo es un primer prototipo fabricado en un laboratorio académico. Ellos creen que el trabajo adicional puede aumentar su capacidad al rango de 3.300 a 5.000 voltios, para llevar las eficiencias del nitruro de galio a la electrónica de potencia en la propia red eléctrica.
Esto se debe a que el nuevo dispositivo utiliza un diseño fundamentalmente diferente de la electrónica de potencia de nitruro de galio existente.
“Todos los dispositivos que están disponibles en el mercado son los denominados dispositivos laterales”, dice Tomás Palacios, profesor de ingeniería eléctrica e informática del MIT, miembro de Microsystems Technology Laboratories y autor principal del nuevo documento. “Así que todo el dispositivo está fabricado en la superficie superior de la oblea de nitruro de galio, lo que es bueno para aplicaciones de baja potencia como el cargador de computadora portátil. Pero para aplicaciones de potencia media y alta, los dispositivos verticales son mucho mejores. Estos son dispositivos donde la corriente, en lugar de fluir a través de la superficie del semiconductor, fluye a través de la oblea, a través del semiconductor. Los dispositivos verticales son mucho mejores en términos de la cantidad de voltaje que pueden administrar y la cantidad de corriente que controlan “.
Por un lado, explica Palacios, la corriente fluye hacia una superficie de un dispositivo vertical y hacia el otro. Eso significa que simplemente hay más espacio para conectar los cables de entrada y salida, lo que permite cargas de corriente más altas.
Por otro, dice Palacios, “cuando tienes dispositivos laterales, toda la corriente fluye a través de una losa muy estrecha de material cerca de la superficie. Estamos hablando de una losa de material que podría tener solo 50 nanómetros de espesor. Así que toda la corriente pasa por allí, y todo el calor se genera en esa región muy estrecha, por lo que se pone muy, muy, muy caliente. En un dispositivo vertical, la corriente fluye a través de toda la oblea, por lo que la disipación de calor es mucho más uniforme “.
Estrechando el campo
Aunque sus ventajas son bien conocidas, los dispositivos verticales han sido difíciles de fabricar en nitruro de galio. La electrónica de potencia depende de los transistores, dispositivos en los que una carga aplicada a una “compuerta” conmuta un material semiconductor, como el silicio o el nitruro de galio, entre un estado conductor y otro no conductivo.
Para que ese cambio sea eficiente, la corriente que fluye a través del semiconductor debe limitarse a un área relativamente pequeña, donde el campo eléctrico de la puerta puede ejercer una influencia sobre ella. En el pasado, los investigadores habían intentado construir transistores verticales mediante la incorporación de barreras físicas en el nitruro de galio para dirigir la corriente a un canal debajo de la puerta.
Pero las barreras están construidas a partir de un material temperamental que es costoso y difícil de producir, y su integración con el nitruro de galio circundante de una manera que no interrumpe las propiedades electrónicas del transistor también ha demostrado ser un desafío.
Palacios y sus colaboradores adoptan una alternativa simple pero efectiva. El equipo incluye a los primeros autores Yuhao Zhang, un postdoc en el laboratorio de Palacios, y Min Sun, quien recibió su doctorado en el MIT en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) la primavera pasada; Daniel Piedra y Yuxuan Lin, estudiantes graduados del MIT en EECS; Jie Hu, un postdoc en el grupo de Palacios; Zhihong Liu de la Alianza Singapur-MIT para Investigación y Tecnología; Xiang Gao de IQE; y Columbia, Ken Shepard.
En lugar de utilizar una barrera interna para dirigir la corriente a una región estrecha de un dispositivo más grande, simplemente usan un dispositivo más estrecho. Sus transistores verticales de nitruro de galio tienen protuberancias en forma de cuchilla en la parte superior, conocidas como “aletas”. En ambos lados de cada aleta hay contactos eléctricos que en conjunto actúan como una puerta. La corriente entra al transistor a través de otro contacto, en la parte superior de la aleta, y sale por la parte inferior del dispositivo. La estrechez de la aleta asegura que el electrodo de compuerta pueda encender y apagar el transistor.
“La brillante idea de Yuhao y Min, creo, fue decir: ‘En lugar de confinar la corriente al tener múltiples materiales en la misma oblea, confinemos geométricamente al eliminar el material de aquellas regiones donde no queremos que la corriente fluya “, Dice Palacios. “En lugar de hacer la ruta en zigzag complicada para la corriente en transistores verticales convencionales, cambiemos la geometría del transistor por completo”.
Fuente: MIT