Búsqueda de nuevos semiconductores que se calientan con óxido de galio
Los ingenieros eléctricos de la Universidad de Illinois han superado otro obstáculo en la fabricación de semiconductores de alta potencia añadiendo el material más caliente del campo, el óxido de beta-galio, a su arsenal. El óxido de beta-galio está fácilmente disponible y promete convertir la energía más rápida y eficientemente que los principales materiales semiconductores actuales: nitruro de galio y silicio, señalaron los investigadores. Sus hallazgos se publican en la revista ACS Nano.
Una representación artística de las estructuras del conjunto de aletas producidas por MacEtch en un sustrato semiconductor de óxido de beta-galio del último proyecto del profesor Xiuling Li.
ACS Nano
Los transistores planos se han vuelto tan pequeños como es físicamente posible, pero los investigadores abordaron este problema poniéndose verticales. Con una técnica llamada grabado químico asistido por metal - o MacEtch - U. of I., los ingenieros utilizaron una solución química para grabar semiconductores en estructuras de aletas 3D. Las aletas aumentan el área de la superficie de un chip, permitiendo más transistores o corriente, y por lo tanto pueden manejar más potencia mientras mantienen la huella del chip del mismo tamaño.
Desarrollado en la Universidad de Illinois, el método MacEtch es superior a las técnicas tradicionales de grabado "en seco" porque es mucho menos dañino para las delicadas superficies de los semiconductores, como el óxido de beta-galio, dijeron los investigadores.
"El óxido de galio tiene una brecha de energía más amplia en la que los electrones pueden moverse libremente", dijo el autor principal del estudio Xiuling Li, profesor de ingeniería eléctrica e informática. "Esta brecha de energía tiene que ser grande para la electrónica con voltajes más altos e incluso de bajo voltaje con frecuencias de conmutación rápidas, por lo que estamos muy interesados en este tipo de material para su uso en dispositivos modernos. Sin embargo, tiene una estructura cristalina más compleja que el silicio puro, lo que dificulta su control durante el proceso de grabado".
Aplicar MacEtch a los cristales de óxido de galio podría beneficiar a la industria de los semiconductores, dijo Li, pero el avance no está exento de obstáculos.
"En este momento, el proceso de grabado es muy lento", dijo. "Debido a la lentitud y a la compleja estructura cristalina del material, las aletas 3D producidas no son perfectamente verticales, y las verticales son ideales para un uso eficiente de la potencia."
En el nuevo estudio, el sustrato de óxido de beta-galio produjo aletas triangulares, trapezoidales y cónicas, dependiendo de la orientación del catalizador metálico en relación con los cristales. Aunque estas formas no son ideales, los investigadores se sorprendieron al descubrir que todavía hacen un mejor trabajo conduciendo la corriente que las superficies planas y no grabadas de óxido de beta-galio.
"No estamos seguros de por qué es así, pero estamos empezando a obtener algunas pistas al realizar caracterizaciones a nivel atómico del material", dijo Li. "La conclusión es que hemos demostrado que es posible utilizar el proceso MacEtch para fabricar óxido de beta-galio, una alternativa potencialmente de bajo costo al nitruro de galio, con buena calidad de interfaz".
Li dijo que la investigación adicional tendrá que abordar la tasa lenta de grabado, permitir dispositivos de óxido de beta-galio de alto rendimiento y tratar de sortear el problema de la baja conductividad térmica.
"El aumento de la velocidad de grabado debería mejorar la capacidad del proceso para formar más aletas verticales", dijo. "Esto se debe a que el proceso ocurrirá tan rápido que no tendrá tiempo de reaccionar a todas las diferencias en las orientaciones de los cristales."
El problema de la baja conductividad térmica es un problema más profundo, dijo. "La electrónica de alta potencia produce mucho calor, y los investigadores de dispositivos están buscando activamente soluciones de ingeniería térmica. Aunque este es un aspecto muy abierto en el campo de los semiconductores en este momento, estructuras 3D como las que hemos demostrado podrían ayudar a guiar mejor el calor en algunos tipos de dispositivos".
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